Датчик диоксида азота

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Минский НИИ радиоматериалов(72) Авторы Таратын Игорь Александрович Гайдук Юлиан Станиславович Крайко Валерий Григорьевич Кременевская Мария Славомировна(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Минский НИИ радиоматериалов(57) Датчик диоксида азота, содержащий газопроницаемый корпус, электрод из благородного металла, из средней части которого сформирован нагревательный элемент в виде спирали, на которую нанесен газочувствительный слой из полупроводникового материала, отличающийся тем, что электрод и нагревательный элемент выполнены из платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм, причем на нагревательный элемент нанесен полупроводниковый газочувствительный слой, содержащий нанокристаллический оксид цинка и оксид галлия. 103532014.10.30 Полезная модель относится к газовому анализу, в частности к детектирующим устройствам, предназначенным для обнаружения и количественного определения микропримесей диоксида азота, и может найти применение для мониторинга окружающей среды,контроля воздуха рабочей среды производственных помещений, определения состава выхлопных газов, определения состава прочих газовых смесей естественного и искусственного происхождения. Известен датчик диоксида азота, содержащий полупроводниковое основание и подложку, в котором полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного антимонидом индия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого генератора 1. Недостатком данного датчика является сравнительно сложная технология его изготовления, сопряженная с необходимостью осуществления большого количества технологических операций. Кроме того, изготовление полупроводниковой пленки состава ,которая служит газочувствительным элементом указанного датчика, требует применения весьма дорогостоящих веществ, некоторые из которых, в частности соединения кадмия и теллура, чрезвычайно токсичны. Указанные недостатки отсутствуют в газовом датчике, имеющем газопроницаемый корпус, в котором размещен электрод, выполненный из благородного металла, слой из полупроводникового материала, полностью или частично покрывающий электрод из благородного металла, и дополнительный слой, содержащий по крайней мере один из следующих металлов платина, палладий, родий, золото, серебро, медь и оксид кремния. Данная конструкция предусматривает наличие барьерного слоя, имеющего высокий потенциал, который определяет характер взаимодействия между электродом из благородного металла и полупроводниковым слоем 2. Датчик обеспечивает возможность определения в газовоздушных смесях концентрации газов-восстановителей, таких как метан (4), изобутан (изо-410), водород (2),монооксид углерода , пары этанола (25), однако газочувствительный слой данного датчика, содержащий по крайней мере одно из следующих соединений оксид олова,оксид цинка, оксид индия, не обладает достаточной чувствительностью для определения газов-окислителей, в частности диоксида азота (2). Задачей полезной модели является разработка датчика диоксида азота с повышенной чувствительностью к диоксиду азота, позволяющего контролировать содержание диоксида азота в атмосферном воздухе и воздухе рабочих сред промышленных предприятий,удешевление его стоимости, а конструктивное исполнение изделия должно обеспечивать возможность его функционирования с большинством стандартных газоанализаторов. Поставленная задача достигается тем, что датчик диоксида азота содержит газопроницаемый корпус, электрод из благородного металла, из средней части которого сформирован нагревательный элемент в виде спирали, на которую нанесен газочувствительный слой из полупроводникового материала, причем электрод и нагревательный элемент выполнены из платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм, на который нанесен полупроводниковый газочувствительный слой, содержащий нанокристаллический оксид цинка в количестве 95-99 мас.и оксид галлия в количестве 1-5 мас. . Таким образом, поставленная задача достигается за счет применения полупроводниковой оксидной композиции оксида цинка и оксида галлия в количестве 95-99 мас.оксида цинка и 1-5 мас.оксида галлия, которая в заявленной пропорции обладает высокой чувствительностью к диоксиду азота в интервале концентраций 0-15 , изменение пропорций компонентов полупроводникового газочувствительного слоя приводит к снижению чувствительности к диоксиду азота, выполнение электрода в виде платиновой проволоки диаметром 20-40 мкм обеспечивает величину потребляемой мощности сенсора в диапазоне значений до 200 , уменьшение заявленного диаметра проволоки приводит к снижению механической прочности изделия и к усложнению сборки датчика, увеличе 2 103532014.10.30 ние диаметра приводит к возрастанию потребляемой мощности датчика. Наибольшая чувствительность заявляемого датчика к диоксиду азота наблюдается в интервале тока нагрева электрода из платиновой проволоки 90-130 . Заявляемый датчик не обладает чувствительностью к , 2, газообразным углеводородам (метан и др.). По сравнению с прототипом газочувствительный слой состоит на 95-99 мас.из сравнительно дешевого оксида цинка, а способ получения газочувствительного слоя (осаждение из водных растворов солей) характеризуется сравнительной простотой и экономичностью. При этом наилучшими электрофизическими свойствами обладает газочувствительный слой, содержащий 1 мас.оксида галлия и 99 мас.оксида цинка. Металлический газопроницаемый колпачок позволяет обеспечить высокую механическую прочность изделия при удовлетворительном доступе анализируемого газа к поверхности чувствительного слоя. Заявляемый датчик изображен на фигурах, где на фиг. 1 - датчик в сборе,на фиг. 2 - датчик в разрезе (без металлического колпачка),где датчик диоксида азота, содержащий газопроницаемый корпус 1, в котором жестко закреплены токоподводы 2, на которые методом термокомпрессии прикреплен электрод 3 из платины, на котором размещен нагревательный элемент 4, выполненный в виде спирали из платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм, на которую нанесен полупроводниковый газочувствительный слой 5, состоящий из смеси нанокристаллического оксида цинка в количестве 95-99 мас.и нанокристаллического оксида галлия в количестве 1-5 мас. ,полученных методом осаждения из водных растворов солей при помощи аммиака, и отожженной в воздухе после нанесения на нагревательный элемент при температуре 600 С в течение 5 ч. Газопроницаемый корпус 1 снабжен газопроницаемым металлическим колпачком 6. Заявляемый датчик работает следующим образом. Заявляемый датчик помещают в термостатированную камеру (на фигурах не показана), через которую пропускают (выдерживают) анализируемую газовую смесь и подключают к источнику постоянного тока 1-2 В или соответствующему узлу газоанализатора (на фигурах не показано). Заданная величина тока разогревает нагревательный элемент 4 и размещенный на нем газочувствительный слой 5 до требуемой рабочей температуры, достигаемой при нагреве стабилизированным постоянным током 100-120 . При контакте исследуемого газа с газочувствительным слоем 5 происходит избирательная адсорбция молекул диоксида азота, что в силу окислительной природы газа снижает концентрацию электронов в зоне проводимости полупроводникового газочувствительного слоя 5 и, как следствие, повышает электрическое сопротивление газочувствительного слоя 5. Поэтому электрод 3 из платины меняет свое электрическое сопротивление, т.е. газочувствительный слой 5 выполняет функцию шунтирования. Величина изменения электрического сопротивления на электроде 3 зависит от концентрации в анализируемой смеси диоксида азота и фиксируется выходным устройством газоанализатора (на фигурах не показан), в который заявляемый датчик устанавливается. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4