Адсорбционно-резистивный газовый сенсор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Денисюк Сергей Валентинович Куданович Олег Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Адсорбционно-резистивный газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку,отличающийся тем, что содержит две рабочие области, которые отделены от диэлектрической подложки сквозной перфорацией и соединены с ней парой перемычек по углам одной из сторон, в рабочих областях на одной из сторон диэлектрической подложки сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов,связанная с контактными площадками системы информационных электродов токопроводящими дорожками, с нанесенной поверх пленкой чувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочих областях сформированы два нагревательных элемента с разной толщиной пленки меандра, соединенные последовательно между собой и контактными площадками нагревательных элементов токопроводящими дорожками, причем толщина пленки 1 первого нагревательного элемента определяется из формулы 1(1)/,а толщина пленки 2 второго нагревательного элемента - из формулы 212(1(120 С)/(1(1(220 С,где 1 - электрическое сопротивление первого нагревательного элемента- удельное электрическое сопротивление материала нагревательного элемента 101662014.06.30- длина пленки нагревательного элемента- ширина пленки нагревательного элемента 1 и 2 - потребляемая электрическая мощность первым и вторым нагревательными элементами соответственно- коэффициент температурной зависимости удельного электрического сопротивления материала нагревательного элемента Т 1 и Т 2 - рабочие температуры в С первой и второй рабочих областей соответственно.(56) 1. Куданович О.Н. и др. Сенсор паров этилового спирта на основе оксида никеля // Сенсорная электроника и микросистемные технологии. СЭМСТ-1 материалы Международной научно-тех. конф., Одесса, Украина, 1-5 июня 2004 г. / Под ред. В.А.Смынтыны. Одесса Астропринт. - С. 199. 2. Григоришин И.Л., Полевская Л.Г., Куданович О.Н. Комбинированный термокаталитический и термокондуктометрический сенсор водорода на термоэлектрическом преобразовании // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Датчик 2000 материалы 12-й Международ., науч.-тех. конф., Гурзуф, Украина, май 2000 г. / Отв. ред. В.Н. Азаров. - М. МГИЭМ, 2000. - С. 139-141. 3. Мухуров Н.И., Ефремов Г.И., Куданович О.Н. Устройства микромеханики и микросенсорики на нанопористом анодном оксиде алюминия монография. - Минск Бестпринт,2005. - 111 с. Полезная модель относится к электронике, микроэлектронике, сенсорике и может найти широкое применение в системах мониторинга состава окружающей среды. Известен адсорбционно-резистивный газовый сенсор на основе оксидов переходных металлов 1. Он представляет собой плоскую диэлектрическую подложку анодного 23 со сквозной перфорацией, образующей изолированную рабочую область консольного типа. На одной стороне подложки в рабочей области сформированы система информационных электродов встречно-штыревой конструкции и чувствительный элемент в виде пленки оксида переходного металла. На обратной стороне рабочей области подложки сформирован нагреватель в виде меандра. Тонкопленочные элементы информационных электродов и нагревателя соединены токопроводящими дорожками с соответствующими контактными площадками на периферии подложки. При адсорбции молекул чувствительный элемент изменяет свои характеристики в зависимости от концентрации адсорбируемого газа, прежде всего значение электрического сопротивления. Это изменение фиксируется внешней схемой с помощью системы информационных электродов. Нагревательный элемент устанавливает рабочую температуру сенсора, позволяя управлять временем отклика и восстановления, а также чувствительностью к детектируемому газу. Низкая селективность затрудняет обнаружение детектируемого газа в анализируемой смеси произвольного состава. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор имеет ограниченные функциональные возможности. Известен комбинированный термокондуктометрический и термокаталитический сенсор водорода на основе термоэлектрического преобразования 2. Сенсор выполнен на диэлектрической подложке анодного 23 со сквозной перфорацией. Основным конструкционным элементом сенсора являются два термоэлектрических пленочных преобразователя,состоящие из последовательно соединенных пленочных термопар на одной стороне подложки и пленочного нагревателя на другой. Один из термоэлектрических преобразователей выполнен из материала, который является катализатором окисления водорода. Материал второго преобразователя термокаталитическими свойствами по отношению к водороду не обладает. Пленочные элементы соединены проводящими дорожками с соответ 2 101662014.06.30 ствующими контактными площадками. Измерение концентрации водорода осуществляется путем контроля температуры термокаталитического нагрева и термокондуктометрического охлаждения по значениям термоЭДС. Термокондуктометрический сенсор измеряет концентрацию водорода по изменению термоЭДС вследствие различий в теплопроводности чистого воздуха и водорода в области от 3,5 до 100 об. . Термокаталитический сенсор детектирует водород благодаря изменению температуры спаев термопар вследствие каталитического окисления на одном из термоэлектрических преобразователей и пригоден для измерения в области концентраций от 0 до 3,5 об. . Сенсор на основе термоэлектрического преобразования способен детектировать в диапазоне малых концентраций только горючие газы. Комбинированный термокондуктометрический и термокаталитический сенсор на основе термоэлектрического преобразования имеет ограниченные функциональные возможности. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей адсорбционно-резистивного газового сенсора на основе оксидов металлов за счет увеличения количества селективно детектируемых газов. Решение поставленной задачи достигается тем, что адсорбционно-резистивный газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку, содержит две рабочие области, которые отделены от диэлектрической подложки сквозной перфорацией и соединены с ней парой перемычек по углам одной из сторон, в рабочих областях на одной из сторон диэлектрической подложки сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов, связанная с контактными площадками системы информационных электродов токопроводящими дорожками, с нанесенной поверх пленкой чувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочих областях сформированы два нагревательных элемента с разной толщиной пленки меандра,соединенные последовательно между собой и контактными площадками нагревательных элементов токопроводящими дорожками, причем толщина пленки 1 первого нагревательного элемента определяется из формулы 1(1)/,а толщина пленки 2 второго нагревательного элемента - из формулы 212(1(120 С)/(1(1(220 С,где 1 - электрическое сопротивление первого нагревательного элемента- удельное электрическое сопротивление материала нагревательного элемента- длина пленки нагревательного элемента- ширина пленки нагревательного элемента 1 и 2 - потребляемая электрическая мощность первым и вторым нагревательными элементами соответственно- коэффициент температурной зависимости удельного электрического сопротивления материала нагревательного элемента Т 1 и Т 2 - рабочие температуры в С первой и второй рабочих областей соответственно. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен вид на адсорбционно-резистивный газовый сенсор со стороны чувствительного слоя 1 - первая рабочая область 2 - вторая рабочая область 3 - диэлектрическая подложка 4 - сквозная перфорация 5 - встречно-штыревая система информационных электродов 6 - пленка чувствительного материала 7 - контактная площадка системы информационных электродов 8 - контактная площадка нагревательных элементов 9 - токопроводящие дорожки. 3 101662014.06.30 На фиг. 2 представлен вид на адсорбционно-резистивный газовый сенсор со стороны нагревателя 10 - первый нагревательный элемент 11 - второй нагревательный элемент. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 3, в которой с помощью сквозной перфорации 4 сформированы в виде консоли первая 1 и вторая 2 рабочие области, соединенные с диэлектрической подложкой 3 парой перемычек(позиция не указана) по углам одной из сторон первой 1 и второй 2 рабочих областей. В первой 1 и второй 2 рабочих областях на одной из сторон диэлектрической подложки 3 сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов 5 и нанесенный поверх пленки чувствительный материал 6. На обратной стороне диэлектрической подложки 3 в первой 1 и второй 2 рабочих областях сформированы первый 10 и второй 11 нагревательные элементы с разной толщиной пленки меандра, соединенные последовательно между собой. На диэлектрической подложке 3 также сформированы контактные площадки системы информационных электродов 7 и контактные площадки нагревательных элементов 8, связанные токопроводящими дорожками 9 с соответствующими элементами первой 1 и второй 2 рабочих областей. Диэлектрическая подложка 3 выполнена из -модификации анодного оксида алюминия, обладающей высокими электрическими и механическими свойствами, а ее пористая структура позволяет путем травления создавать сквозные отверстия произвольной формы с микронной точностью 3. Токопроводящие тонкопленочные элементы встречноштыревая система информационных электродов 5, контактные площадки системы информационных электродов 7 и нагревательных элементов 8, токопроводящие дорожки 9, нагревательные элементы первый 10 и второй 11 сформированы вакуумным напылением. Тонкие пленки чувствительного материала 6 получены путем термического окисления пленок металла, предварительно нанесенных вакуумным напылением. Нагрев рабочих областей осуществляется с помощью встроенных первого 10 и второго 11 нагревательных элементов. Задание параметров первого 10 и второго 11 нагревательных элементов осуществляется путем варьирования толщины пленки. Входные данные расчета толщины пленкипервого 10 и второго 11 нагревательных элементов рабочие температуры Т 1 и Т 2 первой 1 и второй 2 рабочих областей, зависимость потребляемой электрической мощности от температуры, подаваемое электрическое напряжение , удельное электрическое сопротивлениеи коэффициент температурной зависимости удельного электрического сопротивления материала нагревательного элементадля тонкой пленки металла, длинаи ширинапленки нагревательного элемента. Значения Т 1 и Т 2 подбираются на основе предварительных исследований температурных и концентрационных зависимостей(,) газовой чувствительности полупроводникового слоя, исходя из необходимости селективного детектирования двух газов, отличающихся рабочими температурами. Для одиночного нагревателя 2,где- потребляемая электрическая мощность,- электрическое напряжение, подводимое к цепи нагревательного элемента,- сила электрического тока в цепи,- электрическое сопротивление нагревательного элемента. В случае двух соединенных последовательно нагревательных элементов общая мощность определяется как сумма мощностей. Соответственно сила электрического тока в цепи нагревательных элементов(12)/,где 1 - электрическая мощность, потребляемая нагревательным элементом при температуре Т 1 по зависимости, 2 - электрическая мощность, потребляемая при температуре 2. 4 101662014.06.30 Электрическое сопротивление первого нагревательного элемента 10 при рабочей температуре Следует учитывать термическое изменение электрического сопротивления материала нагревательных элементов. Электрическое сопротивление первого нагревательного элемента 10 при комнатной температуре 11 /(1(120. Толщина пленки первого нагревательного элемента 10 1(1)/. Расчет толщины пленки второго нагревательного элемента 11 проводится по формуле 212((120 С)/(1(1(220 С. При рабочих температурах в пределах от 200 до 550 С толщина пленки нагревательного элемента варьируется в пределах от 0,15 до 0,5 мкм. По достижении заданных рабочих температур проводится серия измерений значений электрического сопротивления 1 атм и 2 атм тонких пленок чувствительного материала 6 первой 1 и второй 2 рабочих областей в чистом воздухе с помощью внешней измерительной схемы и встроенной встречно-штырьевой системы информационных электродов 5. После стабилизации значений электрического сопротивления при определенной рабочей температуре полученные результаты составляют базовые зависимости (опорный сигнал) сенсора. Под воздействием анализируемой смеси газов происходит изменение электрического сопротивления пленки чувствительного материала 6 вследствие адсорбции молекул газов ее поверхностью. По истечении времени отклика сопротивления 1 см и 2 см пленок чувствительного материала 6 в первой 1 и второй 2 рабочих областяхдостигают стабильных значений. Аналитические сигналы 1 и 2 от пленок чувствительных элементов 6 определяются как отношение их сопротивления в газовой смеси к базовой зависимостисм/атм. С помощью концентрационных и температурных зависимостей чувствительности(,) адсорбционно-резистивного газового сенсора и данных измерений определяются концентрации детектируемых газов в анализируемой смеси. В результате использование двух рабочих областей с отличающимися рабочими температурами позволяет одновременно детектировать несколько газов в смеси, тем самым повысив функциональные возможности адсорбционно-резистивного газового сенсора. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5