Датчик концентрации диоксида азота в воздухе

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ДИОКСИДА АЗОТА В ВОЗДУХЕ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Мисевич Алексей Васильевич Почтенный Артем Евгеньевич Кухто Александр Васильевич(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) 1. Датчик концентрации диоксида азота в воздухе, включающий диэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены газочувствительная пленка и система металлических электродов, отличающийся тем, что газочувствительная пленка выполнена из двухкомпонентного композитного слоя, в качестве первого компонента использованы нанокристаллы металлфталоцианинов или их производных, а в качестве второго компонента - органический полимер, удельная проводимость которого меньше удельной проводимости первого компонента. 2. Датчик концентрации диоксида азота в воздухе по п. 1, отличающийся тем, что объемная доля первого компонента имеет порог протекания композитной пленки. 3. Датчик концентрации диоксида азота в воздухе по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого компонента композитной пленки использованы нанокристаллы фталоцианина меди с размерами до 200 нм, а вторым компонентом - полистирол. 44702008.06.30 Предлагаемое техническое решение направлено на решение проблемы быстрого, простого и точного определения концентрации опасных для здоровья газообразных примесей в окружающем воздухе, а именно диоксида азота, повышенное содержание которого в воздухе характерно для больших городов, оживленных автомагистралей, транспортных узлов, рабочих зон промышленных предприятий. Оксид азота, вырабатываемый при сжигании топлива в двигателях внутреннего сгорания и в печах промышленных предприятий,попадая в воздух, окисляется кислородом воздуха, превращаясь в диоксид азота. Известен датчик диоксида азота адсорбционно-резистивного типа, газочувствительным элементом которого является тонкая пленка металлфталоцианина. При изменении концентрации диоксида азота в воздухе происходит изменение концентрации диоксида азота, адсорбированного в тонкой пленке металлфталоцианина, вследствие чего изменяется сопротивление тонкой пленки металлфталоцианина. Указанные датчики представляют собой диэлектрическую подложку, на поверхности которой размещаются тонкая пленка металлфталоцианина и система металлических электродов, предназначенных для измерения сопротивления тонкой пленки металлфталоцианина, нагревания подложки и контроля ее температуры 1. Недостатком указанных датчиков диоксида азота является большое время отклика,недостаточная чувствительность, нестабильность параметров, что ограничивает их применение для быстрого определения малых концентраций диоксида азота в воздухе. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению(прототип) является датчик концентрации оксида азота, описанный в заявке на изобретение 2. Указанный датчик включает подложку, на которой расположены резистивный нагреватель, электроды и газочувствительный слой на основе полифталоцианина железа с непрерывной цепью сопряжения. Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая чувствительность к малым концентрациям оксида азота, что ограничивает область применения указанного датчика. Задачей предлагаемой полезной модели является создание датчика диоксида азота, который обладает достаточно высокой чувствительностью к малым концентрациям диоксида азота в воздухе, при этом имеет приемлемое время отклика и стабильность параметров. Задача решается за счет того, что в датчике концентрации диоксида азота, включающем диэлектрическую подложку, на поверхности которой размещаются газочувствительный слой и система планарных металлических электродов, предназначенных для измерения сопротивления газочувствительного слоя, нагревания подложки и контроля ее температуры, в качестве газочувствительного слоя используется двухкомпонентная композитная пленка толщиной до 200 нм, первым компонентом которой являются нанокристаллы металлфталоцианинов или их производных, а вторым компонентом - органический полимер, удельная проводимость которого меньше удельной проводимости первого компонента, например полиэтилен, полипропилен, полистирол, поликарбонат и др. На фиг. 1 и 2 представлен один из возможных вариантов конструкции адсорбционнорезистивного датчика диоксида азота. На фиг. 3 представлена зависимость удельной проводимости и чувствительности к содержанию 2 диоксида азота в воздухе для композитной пленки фталоцианин медиполистирол толщиной 100 нм, полученной методом осаждения из газовой фазы продуктов лазерного распыления мишени фталоцианин меди-полистирол, от массовой доли фталоцианина меди в мишени. На фиг. 4 представлены типичные зависимости отклика на диоксид азота в воздухе для датчиков с газочувствительными слоями на основе композитных пленок фталоцианин меди-полистирол, полученных из мишени с содержанием фталоцианина меди 20 мас.и термообработанных в воздухе при температурах 120, 150 и 200 С. Датчик концентрации диоксида азота, один из вариантов конструкции которого представлен на фиг. 1 и 2, состоит из диэлектрической подложки 1, выполненной, например, из поликора, ситалла, сапфира или окисленного кремния, на поверхности которой (фиг. 1) 2 44702008.06.30 расположены металлические (никель, золото, хром) гребенкообразные электроды 2, предназначенные для измерения сопротивления газочувствительного слоя 3, который наносится поверх этих электродов. На обратной стороне подложки (фиг. 2) сформирован тонкопленочный резистивный (никель или платина) нагреватель 4 для поддержания и контроля рабочей температуры датчика. Принцип действия датчика основан на изменении проводимости (сопротивления) газочувствительного слоя при его взаимодействии с диоксидом азота. Чувствительность датчика оценивалась по формуле (-0)/0, где 0 - начальная проводимость газочувствительного слоя,- проводимость газочувствительного слоя при воздействии диоксида азота. Размеры нанокристаллов металлфталоцианинов или их производных в композитной пленке определяются способом ее получения и обычно не превышают 200 нм. Объемная доля нанокристаллов в композитной пленке должна быть на уровне или на несколько процентов выше порога протекания, величина которого зависит от толщины композитной пленки, формы и размеров нанокристаллов металлфталоцианинов и их производных, их ориентации друг относительно друга и особенностей взаимодействия с непроводящим полимером. Одним из возможных способов получения газочувствительной композитной пленки на основе металлфталоцианинов (или их производных) и непроводящих полимеров является метод вакуумного осаждения при лазерном распылении мишени, состоящей из смеси компонентов пленки, с последующей термообработкой полученных пленок в воздухе при температурах 100-200 С. Удельная проводимость полученных таким способом композитных пленок фталоцианин меди - полистирол быстро уменьшается при снижении концентрации фталоцианина меди в мишени ниже 10 мас.(фиг. 2), что указывает на то, что объемная доля нанокристаллов фталоцианина меди в композитных пленках, полученных из мишеней с содержанием фталоцианина меди 10 мас. , примерно соответствует порогу протекания. Чувствительность к 2 диоксида азота максимальна для композитных пленок, полученных из мишени с содержанием фталоцианина меди 20 мас. , т.е. при объемной доле нанокристаллов фталоцианина меди в композитной пленке, не намного превышающей порог протекания. Существование оптимальной объемной доли нанокристаллов металлфталоцианинов (или их производных) обусловлено тем, что, с одной стороны, при уменьшении содержания нанокристаллов металлфталоцианинов (или их производных) в композитной пленке облегчается доступ молекулам диоксида азота к поверхности этих нанокристаллов и увеличивается вклад в суммарное сопротивление композитной пленки сопротивлений межкристаллитных поверхностей раздела, которые в большей степени доступны воздействию диоксида азота. С другой стороны, уменьшение содержания нанокристаллов металлфталоцианинов (или их производных) ниже порога протекания снижает чувствительность к диоксиду азота, так как увеличивается вклад в суммарное сопротивление композитной пленки полимерных конгломератов, которые практически не изменяют своего сопротивления при адсорбции диоксида азота. При выборе оптимальной рабочей температуры предлагаемых датчиков диоксида азота необходимо учитывать то, что при увеличении рабочей температуры датчика время отклика на диоксид азота уменьшается, а также то, что при термообработке газочувствительного слоя в воздухе происходит увеличение размеров нанокристаллов и в результате чувствительность к диоксиду азота уменьшается (фиг. 3). Поэтому температура термообработки газочувствительного слоя рассматриваемого датчика и соответствующая ей рабочая температура датчика выбираются исходя из требуемых характеристик по чувствительности и времени отклика. В таблице приведены значения чувствительности датчиков диоксида азота с газочувствительным слоем на основе композитной пленки фталоцианин меди-полистирол, полученной из мишени с содержанием фталоцианина меди 20 мас. . Для сравнения там же приведены значения чувствительности прототипа - датчиков с газочувствительным слоем на основе полифталоцианина железа с непрерывной цепью сопряжения. 3 44702008.06.30 Газочувствительный слой Композит фталоцианин медиполистирол Полифталоцианин железа с непрерывной цепью сопряжения Значения чувствительности при концентрации оксида азота в воздухе,50 100 10000 0,265 Таким образом, по сравнению с прототипом предложенный датчик концентрации диоксида азота в воздухе обладает более высокой чувствительностью. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4