RU2718133C1 - Gas-sensitive detector - Google Patents
Gas-sensitive detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2718133C1 RU2718133C1 RU2019129169A RU2019129169A RU2718133C1 RU 2718133 C1 RU2718133 C1 RU 2718133C1 RU 2019129169 A RU2019129169 A RU 2019129169A RU 2019129169 A RU2019129169 A RU 2019129169A RU 2718133 C1 RU2718133 C1 RU 2718133C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- dielectric substrate
- microchips
- substances
- contact pads
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
Abstract
Description
Изобретение относится к области газового анализа, в частности, к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения различных веществ в газовой среде.The invention relates to the field of gas analysis, in particular, to detecting devices used for recording and measuring various substances in a gas environment.
Толкование терминов, используемых в заявке.Interpretation of terms used in the application.
Под газочувствительным детектором понимается устройство, основанное на принципе взаимодействия с молекулами газа с поверхностью в области хемосорбции, при которой меняется электропроводность газочувствительного слоя (ГЧС), что приводит к изменению потенциала, приложенного к резисторуA gas-sensitive detector refers to a device based on the principle of interaction with gas molecules with a surface in the chemisorption region, in which the conductivity of the gas-sensitive layer (PPP) changes, which leads to a change in the potential applied to the resistor
(Химический энциклопедический словарь И.Л. Кнунянц. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 792 с., стр. 116; Физический энциклопедический словарь. / А.М. Прохоров – М.: Сов. энциклопедия, 1984. – 944 с., стр. 149).(Chemical Encyclopedic Dictionary I.L. Knunyants. - M .: Sov. Encyclopedia, 1983. - 792 p., P. 116; Physical Encyclopedic Dictionary. / A.M. Prokhorov - M .: Sov. Encyclopedia, 1984. - 944 p. 149).
Селективность – свойство одного объекта подбирать свойства другого объекта под свои нужды и качества, для дальнейшего совместного использования и распределения ресурсов как первого объекта так и его пары (www.dic.academic.ru).Selectivity is the property of one object to select the properties of another object according to its needs and qualities, for further sharing and distribution of resources of both the first object and its pair (www.dic.academic.ru).
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода», патент РФ № 2610349, G01N 27/12, опубл. 09.02.2017, бюл. № 4. Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода. Датчик содержит полупроводниковое основание из поликристаллической пленки твердого раствора теллурида кадмия, легированного селенидом состава (CdSe)0,5(CdTe)0,5, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора.A known technical device implemented in the invention "Semiconductor gas sensor of oxygen microimpurities", patent of the Russian Federation No. 2610349, G01N 27/12, publ. 02/09/2017, bull. No. 4. The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of oxygen microimpurities. The sensor contains a semiconductor base made of a polycrystalline film of a cadmium telluride solid solution doped with selenide of the composition (CdSe) 0.5 (CdTe) 0.5 deposited on the electrode pad of a piezoelectric crystal.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Полупроводниковый датчик метана», патент РФ № 2623658, G01N 27/12, опубл. 28.06.2017, бюл. № 19. Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания довзрывных концентраций метана в атмосферном воздухе. Датчик содержит диэлектрическую подложку и чувствительный слой с нанесенными на его поверхность металлическими электродами толщиной до 0,2 мкм. Чувствительный слой выполнен на основе сульфида европия, модифицированного добавкой сульфида самария. Концентрация добавки не превышает 25 мол.%. Датчик имеет пониженную рабочую температуру детектирования метана в атмосферном воздухе. Датчик снабжен нагревателем.Known technical device implemented in the invention "Semiconductor methane sensor", patent of the Russian Federation No. 2623658, G01N 27/12, publ. 06/28/2017, bull. No. 19. The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of pre-explosive methane concentrations in atmospheric air. The sensor contains a dielectric substrate and a sensitive layer with metal electrodes up to 0.2 μm thick deposited on its surface. The sensitive layer is based on europium sulfide, modified by the addition of samarium sulfide. The concentration of the additive does not exceed 25 mol.%. The sensor has a reduced operating temperature for detecting methane in atmospheric air. The sensor is equipped with a heater.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Датчик диоксида азота», патент РФ № 2636411, G01N 27/12, опубл. 23.11.2017, бюл. № 33. Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Датчик содержит полупроводниковое основание из поликристаллической пленки InSb, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора.Known technical device implemented in the invention "Sensor of nitrogen dioxide", RF patent No. 2636411, G01N 27/12, publ. 11/23/2017, bull. No. 33. The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace amounts of nitrogen dioxide. The sensor contains a semiconductor base of an InSb polycrystalline film deposited on the electrode pad of a piezoelectric crystal.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Полупроводниковый датчик оксида углерода», патент РФ № 2637791, G01N 27/12, опубл. 08.12.2017, бюл. № 34. Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода. Датчик содержит полупроводниковое основание из поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdTe)0,95(CdS)0,05, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора.Known technical device implemented in the invention "Semiconductor carbon monoxide sensor", patent of the Russian Federation No. 2637791, G01N 27/12, publ. 12/08/2017, bull. No. 34. The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace amounts of carbon monoxide. The sensor contains a semiconductor base made of a polycrystalline film of a solid solution of the composition (CdTe) 0.95 (CdS) 0.05 deposited on the electrode pad of a piezoelectric crystal.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Электрический сенсор на пары гидразина», патент РФ № 2646419, G01N 27/12, опубл. 05.03.2018, бюл. № 7. Изобретение относится к устройствам и материалам для обнаружения и определения концентрации паров гидразина в атмосфере или пробе воздуха (химическим сенсором). Сенсор содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, имеющий графен-полупроводниковую нанокристаллическую структуру в виде квантовых точек, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность полупроводниковых нанокристаллов пропорционально концентрации паров гидразина в пробе. Known technical device implemented in the invention "Electric sensor for pairs of hydrazine", RF patent No. 2646419, G01N 27/12, publ. 03/05/2018, bull. No. 7. The invention relates to devices and materials for detecting and determining the concentration of hydrazine vapors in the atmosphere or air sample (chemical sensor). The sensor contains a dielectric substrate on which electrodes are located and a sensitive layer that changes photoconductivity as a result of adsorption of hydrazine vapor, has a graphene-semiconductor nanocrystalline structure in the form of quantum dots, the photoconductivity of which decreases when adsorbed hydrazine molecules on the surface of semiconductor nanocrystals in proportion to the concentration of hydrazine vapor in the sample.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Датчик влажности», патент РФ № 2647168, G01N 27/12, опубл. 24.01.2018 Бюл. № 8. Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к датчикам влажности на основе электролитической ячейки, которая может быть использована в метрологии, для измерения степени влажности газовой среды.Known technical device implemented in the invention of "Humidity sensor", RF patent No. 2647168, G01N 27/12, publ. 01/24/2018 Bull. No. 8. The invention relates to measuring equipment, and in particular to humidity sensors based on an electrolytic cell, which can be used in metrology, to measure the degree of humidity of the gas environment.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Датчик угарного газа», патент РФ № 2649654, G01N 27/12, опубл. 04.04.2018, бюл. №10 Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик содержит полупроводниковое основание из поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdTe)0,77(CdS)0,23, нанесенной на непроводящую подложку.Known technical device implemented in the invention "Carbon Monoxide Sensor", patent of the Russian Federation No. 2649654, G01N 27/12, publ. 04/04/2018, bull. No. 10 The invention relates to the field of gas analysis and can be used for environmental monitoring. The sensor contains a semiconductor base of a polycrystalline film of a solid solution of the composition (CdTe) 0.77 (CdS) 0.23 deposited on a non-conductive substrate.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Датчик микропримесей аммиака», патент РФ № 2652646, G01N 27/12, опубл. 28.04.2018, бюл. № 13. Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Датчик содержит полупроводниковое основание из поликристаллической пленки твердого раствора (CdTe)0,45(CdS)0,55 и подложку в виде электродной площадки пьезокварцевого резонатора.Known technical device implemented in the invention "Sensor of microimpurities of ammonia", RF patent No. 2652646, G01N 27/12, publ. 04/28/2018, bull. No. 13. The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace amounts of ammonia. The sensor contains a semiconductor base of a polycrystalline film of a solid solution (CdTe) 0.45 (CdS) 0.55 and a substrate in the form of an electrode pad of a piezoelectric crystal.
Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному, является устройство, реализованное в изобретении «Мультиоксидный газоаналитический чип и способ его изготовления электрохимическим методом», патент РФ № 2684426, G01N 27/12, В82В 1/00, В82В 3/00, опубл. 09.04.2019, Бюл. № 10. Изобретение относится к области газового анализа, а именно к устройствам распознавания состава многокомпонентных газовых смесей и способам их изготовления.The closest prototype analogous to the claimed one in terms of its technical essence and functions is the device implemented in the invention “Multioxid gas analytic chip and method for its manufacture by the electrochemical method”, RF patent No. 2684426, G01N 27/12, В82В 1/00, В82В 3 / 00 publ. 04/09/2019, Bull. No. 10. The invention relates to the field of gas analysis, and in particular to devices for recognizing the composition of multicomponent gas mixtures and methods for their manufacture.
Устройство-прототип состоит из диэлектрической подложки, на фронтальную сторону которой нанесен набор компланарных полосковых электродов из благородного металла и тонкопленочных терморезисторов, а на обратную сторону – система тонкопленочных меандровых нагревателей, при этом в качестве газочувствительных материалов между полосковыми электродами используют наноструктуры оксидов цинка, марганца, кобальта и никеля, последовательно осажденные электрохимическим методом на различные полосковые электроды мультиэлектродного чипа, которые в совокупности формируют линейку хеморезистивных элементов, функционирующих в диапазоне температур от 200°С до 250°С, у которых изменяется сопротивление под воздействием примесей органических паров в окружающем воздухе.The prototype device consists of a dielectric substrate, on the front side of which there is a set of coplanar strip electrodes made of noble metal and thin-film thermistors, and on the reverse side is a system of thin-film meander heaters, while nanostructures of zinc and manganese oxides are used as gas-sensitive materials cobalt and nickel, sequentially deposited by the electrochemical method on various strip electrodes of a multi-electrode chip, cat rye collectively form a chemoresistive line elements functioning in the temperature range from 200 ° C to 250 ° C, at which the resistance changes under the influence of impurities of organic vapors in ambient air.
Технической проблемой в данной области является низкая селективность применяемых микрочипов, имеющих сложный молекулярный состав, для обнаружения и идентификации паров и газов. Например, электрохимическим микрочипам, предназначенным для обнаружения только сероводорода, мешают определению пары серосодержащих веществ и веществ, имеющих близкий механизм реакции и обладающие восстановительными свойствами. Различные вещества, имеющие сходный молекулярный состав, но отличающиеся структурным строением, с большой вероятностью оказывают влияние на аналитические способности применяемых микрочипов. Микрочипы полупроводникового типа, работая автономно, не могут различить вещества группы спиртов, альдегидов, ряд ароматических углеводородов, что значительно снижает их селективность.A technical problem in this area is the low selectivity of the applied microchips having a complex molecular composition for the detection and identification of vapors and gases. For example, electrochemical microchips designed to detect only hydrogen sulfide interfere with the determination of a pair of sulfur-containing substances and substances that have a similar reaction mechanism and have reducing properties. Various substances having a similar molecular composition but differing in structural structure are very likely to affect the analytical capabilities of the microchips used. Semiconductor-type microchips, working autonomously, cannot distinguish between the substances of the alcohol group, aldehydes, and a number of aromatic hydrocarbons, which significantly reduces their selectivity.
Техническая проблема решается созданием газочувствительного детектора, позволяющего повысить селективность обнаружения соединений, входящих в состав многокомпонентной смеси, за счет возможности использования необходимого количества микрочипов, которые могут менять аналитические свойства различных веществ в газовой среде при различных температурах нагрева, тем самым формируются уникальные образы для широкого класса веществ различных групп химических соединений. При этом, количество микрочипов определяется необходимым числом независимых каналов.The technical problem is solved by creating a gas-sensitive detector, which allows to increase the selectivity of detection of compounds that are part of a multicomponent mixture, due to the possibility of using the necessary number of microchips that can change the analytical properties of various substances in a gas environment at different heating temperatures, thereby creating unique images for a wide class substances of various groups of chemical compounds. Moreover, the number of microchips is determined by the required number of independent channels.
Техническая проблема решается тем, что газочувствительный детектор, содержащий плату-носитель с размещенными на ней n – микрочипами, расположенными по периметру платы-носителя относительно друг друга с равными промежутками, причем каждый микрочип включает диэлектрическую подложку, дополнен тем, что на фронтальной стороне диэлектрической подложки размещаются соединенные между собой ГЧС и контактные площадки, на обратной стороне диэлектрической подложки размещаются соединенные между собой нагревательный элемент и контактные площадки нагревательного элемента.The technical problem is solved in that a gas-sensitive detector containing a carrier board with n microchips placed on it located along the perimeter of the carrier board relative to each other at equal intervals, with each microchip including a dielectric substrate, complemented by the fact that on the front side of the dielectric substrate interconnected PPP and contact pads are placed, on the reverse side of the dielectric substrate are placed interconnected heating element and contact pads and heating element.
Перечисленный состав оборудования и уникальность построения газочувствительного детектора обеспечивает повышение селективности детектора за счет возможности использования необходимого количества микрочипов.The listed composition of the equipment and the uniqueness of the construction of a gas-sensitive detector provides an increase in the selectivity of the detector due to the possibility of using the required number of microchips.
Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».The analysis of the prior art allows us to establish that analogues that are characterized by a combination of features that are identical to all the features of the claimed technical solution are absent, which indicates compliance of the invention with the condition of patentability “novelty”.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the claimed object from the prototype showed that they do not follow explicitly from the prior art. The prior art also did not reveal the popularity of the impact provided by the essential features of the claimed invention transformations to achieve the specified technical result. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".
«Промышленная применимость» введенных элементов обусловлена наличием элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены.The "industrial applicability" of the introduced elements is due to the presence of the element base on the basis of which they can be made.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:The claimed device is illustrated by drawings, which show:
фиг. 1 – схематическое изображение топологии газочувствительного детектора;FIG. 1 is a schematic representation of the topology of a gas-sensitive detector;
фиг. 2 – схема микрочипа;FIG. 2 is a diagram of a microchip;
фиг. 3 – спектры исследуемых веществ, полученные с использованием газочувствительного детектора с необходимым набором микрочипов, работающих при фиксированных мощностях нагрева.FIG. 3 - spectra of the studied substances obtained using a gas-sensitive detector with the necessary set of microchips operating at fixed heating powers.
Заявленное устройство реализовано в виде функциональных узлов (платы-носителя – 1 и n-микрочипов – 2), представленных на фиг. 1.The claimed device is implemented in the form of functional units (carrier board - 1 and n-microchips - 2) shown in FIG. one.
Плата-носитель – известное устройство, представляет собой пластину из диэлектрика, на поверхности которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы.The carrier board is a known device, it is a dielectric plate on the surface of which electrically conductive circuits of the electronic circuit are formed.
Плата-носитель предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой (https://ru.wikipedia.org/wiki/Печатная плата).The carrier board is designed for electrical and mechanical connection of various electronic components. The electronic components on the printed circuit board are connected with their findings to the elements of the conductive pattern, usually by soldering (https://ru.wikipedia.org/wiki/P circuit board).
Микрочип изготавливается по серийной толстопленочной технологии с двухсторонним размещением элементов. Основу микрочипа составляют диэлектрическая подложка с размещенными контактными площадками для обеспечения сбора информации, получаемой от газочувствительного слоя при хемосорбции вещества из газовой фазы. На обратной стороне диэлектрической подложки размещены контактные площадки нагревательного элемента и нагревательный элемент (фиг.2). На фигуре 2 обозначено:The microchip is manufactured using serial thick-film technology with double-sided placement of elements. The basis of the microchip is a dielectric substrate with placed contact pads to ensure the collection of information received from the gas-sensitive layer during chemisorption of a substance from the gas phase. On the reverse side of the dielectric substrate are placed the contact pads of the heating element and the heating element (figure 2). In figure 2 is indicated:
Сторона А: контактные площадки ГЧС – 1; ГЧС – 2; диэлектрическая подложка – 3.Side A: emergency contact pads - 1; PPP - 2; dielectric substrate - 3.
Сторона Б: диэлектрическая подложка – 3; контактные площадки нагревательного элемента – 4; нагревательный элемент – 5.Side B: dielectric substrate - 3; contact pads of the heating element - 4; heating element - 5.
Принцип действия микрочипа основан на изменении электропроводности ГЧС вследствие адсорбции контролируемого газа на ее поверхности. Использование полупроводникового оксида олова и других оксидов в качестве газочувствительного материала позволяет обеспечить необходимую чувствительность к широкому спектру химически активных веществ, находящихся в воздушной среде. Процесс адсорбции газов на поверхности газочувствительного материала зависит от температуры и реализуется в диапазоне 100-500°С, причем для каждого вещества существует собственная температура, при которой проявляется наибольший отклик.The principle of operation of the microchip is based on a change in the conductivity of a PPP due to the adsorption of a controlled gas on its surface. The use of semiconductor tin oxide and other oxides as a gas-sensitive material allows us to provide the necessary sensitivity to a wide range of chemically active substances in the air. The process of adsorption of gases on the surface of a gas-sensitive material depends on temperature and is implemented in the range of 100-500 ° C, and for each substance there is its own temperature at which the greatest response is manifested.
Контактные площадки ГЧС – элемент печатного рисунка микрочипа, предназначенного для дальнейшего выполнения сварного соединения под ГЧС. На микрочипе контактные площадки выполнены без отверстий (для поверхностного монтажа). Форма и размер контактных площадок определяются размерами вывода и технологией сварки (http://www.pk-altonika.ru). Emergency contact pads - an element of the printed pattern of a microchip intended for further welded joints under emergency situations. On the microchip, the contact pads are made without holes (for surface mounting). The shape and size of the pads are determined by the size of the output and welding technology (http://www.pk-altonika.ru).
ГЧС выполнен в виде резистивного элемента на основе полупроводника n-типа, в состав которого входит диоксид олова (SnO2) с широкой запрещенной зоной. Применяемые в основе ГЧС материалы синтезированы модифицированным золь-гель методом и после термической обработки представляют поликристаллы с развитой поверхностью, которые, в свою очередь, формируют общую поверхность ГЧС с высокой площадью активной поверхности микрочипа. Развитая поверхность образует большое число (превышающее 1023 – 1025) активных центров, через которые, при взаимодействии с молекулами газа, изменяется электропроводность, и, соответственно ток, образованный электронами (проводимость n-типа) или дырками (проводимость p-типа).The PPP is made in the form of a resistive element based on an n-type semiconductor, which includes tin dioxide (SnO 2 ) with a wide forbidden zone. The materials used in the basis of PPPs are synthesized by the modified sol-gel method and after heat treatment they represent polycrystals with a developed surface, which, in turn, form a common PPP surface with a high active surface area of the microchip. The developed surface forms a large number (exceeding 10 23 - 10 25 ) of active centers through which, when interacting with gas molecules, the electrical conductivity changes, and, accordingly, the current formed by electrons (n-type conductivity) or holes (p-type conductivity).
Диэлектрическая подложка – заготовка из диэлектрического материала (керамика), предназначенная для нанесения на нее элементов микрочипа, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок ГЧС и нагревательного элемента (ГОСТ 17021-88 Микросхемы интегральные. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1990 г.)Dielectric substrate - a workpiece made of dielectric material (ceramics), intended for applying microchip elements, inter-element and (or) interconnects, as well as contact areas for emergency situations and a heating element (GOST 17021-88 Integrated circuits. Terms and definitions. M: Standards Publishing House, 1990)
Контактные площадки нагревательного элемента – элемент печатного рисунка микрочипа, предназначенного для дальнейшего выполнения сварного соединения на нагревательном элементе. На плате-носителе контактные площадки выполнены без отверстий (для поверхностного монтажа). Форма и размер контактных площадок определяются размерами вывода и технологией сварки (http://www.pk-altonika.ru).Contact pads of a heating element - an element of a printed pattern of a microchip intended for further welding on a heating element. On the carrier board, the contact pads are made without holes (for surface mounting). The shape and size of the pads are determined by the size of the output and welding technology (http://www.pk-altonika.ru).
Нагревательный элемент обеспечивает нагрев до необходимой температуры, при которой проводится активированная хемосорбция. При нагреве микрочипа до рабочих температур (80 – 500°С) при помощи нагревательного элемента, выполненного в едином конструктиве с микрочипом, происходит абсорбция содержащегося в воздухе газообразного контролируемого вещества на поверхности ГЧС, имеющего нанометровую структуру.The heating element provides heating to the required temperature at which activated chemisorption is carried out. When the microchip is heated to operating temperatures (80 - 500 ° C) with the help of a heating element made in a single construct with the microchip, the gaseous controlled substance contained in the air is absorbed on the surface of the gas-particle mixture having a nanometer structure.
Нагревательный элемент выполнен по оригинальной технологии, обеспечивающей стабильный нагрев на протяжении более чем 50000 циклов измерений. Топология нагревательного элемента и модификация контактных площадок, выполненных по эксклюзивной методике, повышают стойкость микрочипов к тепловым перегрузкам, что обеспечивает высокую точность поддержания температуры ГЧС.The heating element is made according to the original technology that provides stable heating for more than 50,000 measurement cycles. The topology of the heating element and the modification of the contact pads made by an exclusive technique increase the resistance of microchips to thermal overloads, which ensures high accuracy in maintaining the temperature of the emergency situations.
Принцип работы газочувствительного детектора основан на формирование системы, состоящей из n-микрочипов, обладающих газовой чувствительностью к веществам газовой фазы, с избирательной чувствительностью, зависящей от температуры нагрева каждого микрочипа. Входящие в систему микрочипы различаются введенной каталитической примесью, которые при разной температуре нагрева имеют различную перекрестную чувствительность. The principle of operation of a gas-sensitive detector is based on the formation of a system consisting of n-microchips with gas sensitivity to substances of the gas phase, with selective sensitivity depending on the heating temperature of each microchip. The microchips included in the system are distinguished by the introduced catalytic impurity, which at different heating temperatures have different cross sensitivity.
При использовании газочувствительного детектора реакция каждого микрочипа на целевые вещества зависит от температуры их нагрева и введенной каталитической примеси. Такое поведение объясняется изменением ширины запрещенной зоны в зависимости от температуры газочувствительного слоя и степенью вырождения уровня Ферми, характерного для данного состава микрочипа. Вырождение энергии Ферми и ширины запрещенной зоны приводит к изменению кинетики и термодинамики взаимодействия чувствительной поверхности с целевыми веществами. Это изменяет кинетику активированной хемосорбции, что, в свою очередь, изменяет электропроводность чувствительного элемента. Для каждого микрочипа устанавливается такая мощность нагрева, при которой изменение электропроводности чувствительного слоя максимально к выбранному целевому веществу. На основании измерений, проведенных на каждом микрочипе, формируется образ, соответствующий целевому веществу с максимальной селективностью. Образ представляет собой комплексный аналитический сигнал, сформированный по правилу:When using a gas-sensitive detector, the reaction of each microchip to the target substances depends on the temperature of their heating and the introduced catalytic impurity. This behavior is explained by a change in the band gap depending on the temperature of the gas sensitive layer and the degree of degeneracy of the Fermi level, which is typical for a given microchip composition. The degeneracy of the Fermi energy and the band gap leads to a change in the kinetics and thermodynamics of the interaction of the sensitive surface with the target substances. This changes the kinetics of activated chemisorption, which, in turn, changes the conductivity of the sensing element. For each microchip, a heating power is set at which the change in the electrical conductivity of the sensitive layer is maximum to the selected target substance. Based on the measurements taken on each microchip, an image is formed corresponding to the target substance with maximum selectivity. The image is a complex analytical signal generated by the rule:
где 
Мощности нагрева, характерные для типов применяемых микрочипов в газочувствительном детекторе, определяются по измерениям однокомпонентных смесей воздух – целевое вещество. На основании измерений однокомпонентных смесей формируются комплексные сигналы, соответствующие той или иной примеси целевых веществ. При измерении реальных сред, которые имеют многокомпонентный состав, целевое вещество определяется путем сравнения полученного комплексного сигнала с сигналом, полученным при измерениях однокомпонентной примеси по критерию согласия 
Таким образом, газочувствительный детектор, составленный из n-микрочипов с различным вещественным составом и нагреваемыми с различными мощностями, позволяет обнаруживать различные целевые вещества из газовой фазы с высокой степенью селективности. На фигуре 3 представлены спектры исследуемых веществ, полученные с использованием газочувствительного детектора с необходимым набором микрочипов, работающих при фиксированных мощностях нагрева.Thus, a gas-sensitive detector composed of n-microchips with different material composition and heated with different powers, allows you to detect various target substances from the gas phase with a high degree of selectivity. The figure 3 presents the spectra of the studied substances obtained using a gas-sensitive detector with the necessary set of microchips operating at fixed heating powers.
Первичные преобразования позволяют устранить влияние флуктуаций окружающей среды и снизить уровень аппаратных шумов. Это позволяет не только стабилизировать аналитический сигнал, но и усилить его, что значительно повышает нижний порог обнаружения следовых количеств целевых веществ.Primary transformations eliminate the influence of environmental fluctuations and reduce the level of hardware noise. This allows not only stabilizing the analytical signal, but also enhancing it, which significantly increases the lower threshold for detecting trace amounts of target substances.
Осуществление предлагаемого технического решения (повышение селективности) осуществляется за счет применения матрицы, состоящей от 4 до 32 микрочипов, имеющих ГЧС различные по составу, позволяющих сформировать комплексный сигнал – спектральный образ, с высокой вероятностью соответствующий целевому веществу. Селективный сигнал от целевого вещества получают при последующей обработке информации полученной с матрицы газочувствительного детектора. Кроме того, заявляемый газочувствительный детектор обеспечивает отсутствие необходимости использования микрочипов с полной селективностью к каждому измеряемому газу.Implementation of the proposed technical solution (increasing selectivity) is carried out through the use of a matrix consisting of from 4 to 32 microarrays having PPPs of different composition, which allow forming a complex signal - a spectral image, with a high probability corresponding to the target substance. A selective signal from the target substance is obtained during subsequent processing of information obtained from the matrix of the gas-sensitive detector. In addition, the inventive gas-sensitive detector ensures that there is no need to use microchips with complete selectivity to each measured gas.
Схемотехнические решения заявляемого газочувствительного детектора позволяют расширить его возможности по количеству микрочипов, установленных на базовых платах-носителях (на каждой матрице 4 и 8 микрочипов с расширением матриц до 4 единиц, то есть 32 микрочипов).Circuit solutions of the inventive gas-sensitive detector can expand its capabilities by the number of microchips installed on the base carrier cards (on each matrix there are 4 and 8 microchips with matrix expansion up to 4 units, i.e. 32 microchips).
Увеличение количества микрочипов позволяет применить несколько методов идентификации целевого вещества в многокомпонентных средах:An increase in the number of microchips allows the use of several methods for identifying the target substance in multicomponent media:
– комплексное пороговое обнаружение;- integrated threshold detection;
– формирование матрицы статистического образа по измерениям «чистого» вещества;- formation of a matrix of a statistical image for measurements of "pure" substance;
– идентификация целевого вещества по критерию согласия
– выделение мешающих примесей с помощью спектральных преобразований;- the allocation of interfering impurities using spectral transformations;
– повышение уникальности образов с помощью преобразований фазовых координат.- increasing the uniqueness of images using phase coordinate transformations.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129169A RU2718133C1 (en) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Gas-sensitive detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129169A RU2718133C1 (en) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Gas-sensitive detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2718133C1 true RU2718133C1 (en) | 2020-03-30 |
Family
ID=70156329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019129169A RU2718133C1 (en) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Gas-sensitive detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2718133C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743155C1 (en) * | 2020-06-18 | 2021-02-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) | Ammonia trace sensor |
| RU2753185C1 (en) * | 2021-02-17 | 2021-08-12 | Общество с ограниченной ответственностью «ГрафСенсорс» | Gas detector based on aminated graphene and method for its manufacture |
| RU2759908C1 (en) * | 2020-11-25 | 2021-11-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Semiconductor gas-sensitive sensor |
| RU2772443C1 (en) * | 2021-09-13 | 2022-05-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Trace ammonia sensor |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2146816C1 (en) * | 1998-02-19 | 2000-03-20 | Белорусский государственный технологический университет | Method for detection of gas mix content |
| RU91763U1 (en) * | 2009-11-13 | 2010-02-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | DIFFERENTIAL GAS SENSOR |
| RU2392614C1 (en) * | 2009-06-03 | 2010-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method for analysis of composition of gas mixture and definition of concentration of its components and device for its implementation |
| RU2403563C1 (en) * | 2009-11-13 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | Differential sensor for gas analyser |
| RU2625543C2 (en) * | 2015-12-29 | 2017-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Multi sensor gas analytical chip based on potassium titanate and method of its manufacture |
| RU2676860C1 (en) * | 2018-02-28 | 2019-01-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологии Печатной Электроники" (ООО "ПРИНТЭЛТЕХ") | Gas multi-sensor based on organic field transistors (options) and device for analysis of multi-component gas mixture of the “electron nose” type on its basis |
| RU2684426C1 (en) * | 2018-06-25 | 2019-04-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Multioxide gas-analytic chip and method for production thereof by electrochemical method |
-
2019
- 2019-09-17 RU RU2019129169A patent/RU2718133C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2146816C1 (en) * | 1998-02-19 | 2000-03-20 | Белорусский государственный технологический университет | Method for detection of gas mix content |
| RU2392614C1 (en) * | 2009-06-03 | 2010-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method for analysis of composition of gas mixture and definition of concentration of its components and device for its implementation |
| RU91763U1 (en) * | 2009-11-13 | 2010-02-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | DIFFERENTIAL GAS SENSOR |
| RU2403563C1 (en) * | 2009-11-13 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | Differential sensor for gas analyser |
| RU2625543C2 (en) * | 2015-12-29 | 2017-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Multi sensor gas analytical chip based on potassium titanate and method of its manufacture |
| RU2676860C1 (en) * | 2018-02-28 | 2019-01-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологии Печатной Электроники" (ООО "ПРИНТЭЛТЕХ") | Gas multi-sensor based on organic field transistors (options) and device for analysis of multi-component gas mixture of the “electron nose” type on its basis |
| RU2684426C1 (en) * | 2018-06-25 | 2019-04-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Multioxide gas-analytic chip and method for production thereof by electrochemical method |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743155C1 (en) * | 2020-06-18 | 2021-02-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) | Ammonia trace sensor |
| RU2759908C1 (en) * | 2020-11-25 | 2021-11-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Semiconductor gas-sensitive sensor |
| RU2753185C1 (en) * | 2021-02-17 | 2021-08-12 | Общество с ограниченной ответственностью «ГрафСенсорс» | Gas detector based on aminated graphene and method for its manufacture |
| RU2772443C1 (en) * | 2021-09-13 | 2022-05-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Trace ammonia sensor |
| RU2784333C1 (en) * | 2022-04-18 | 2022-11-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Method for manufacturing a matrix of chemoresistive sensors |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2718133C1 (en) | Gas-sensitive detector | |
| US9170225B2 (en) | Obtaining selectivity in gas sensors via a sensor array system composed of P and N type material | |
| Mitzner et al. | Development of a micromachined hazardous gas sensor array | |
| Pokhrel et al. | Investigations of conduction mechanism in Cr2O3 gas sensing thick films by ac impedance spectroscopy and work function changes measurements | |
| Vuong et al. | Hydrogen sulfide gas sensing properties of thin films derived from SnO2 sols different in grain size | |
| EP3382380B1 (en) | Sensor and sensing method for measuring a target gas concentration in ambient air | |
| US8683845B2 (en) | Carbon dioxide sensor and associated method for generating a gas measurement value | |
| US8443647B1 (en) | Analyte multi-sensor for the detection and identification of analyte and a method of using the same | |
| US20160187279A1 (en) | Metal oxide gas sensor array devices, systems, and associated methods | |
| Korotcenkov et al. | Sensing layers in work-function-type gas sensors | |
| Musio et al. | Low frequency ac response of polypyrrole gas sensors | |
| US20070235773A1 (en) | Gas-sensitive field-effect transistor for the detection of hydrogen sulfide | |
| Bhattacharyya et al. | Resistive and capacitive measurement of nano-structured gas sensors | |
| RU2132551C1 (en) | Gas sensor operating process | |
| CN108155179B (en) | Semiconductor device with gas detection function | |
| RU2403563C1 (en) | Differential sensor for gas analyser | |
| Subramanian et al. | Printed organic chemical sensors and sensor systems | |
| Gründler | Conductivity sensors and capacitive sensors | |
| Cvejin et al. | Planar impedancemetric NO sensor with thick film perovskite electrodes based on samarium cobaltite | |
| US20230288362A1 (en) | Gas sensor and method of manufacture | |
| RU192819U1 (en) | GAS SENSOR | |
| RU91763U1 (en) | DIFFERENTIAL GAS SENSOR | |
| RU2797767C1 (en) | Trace ammonia sensor | |
| US20080135406A1 (en) | Gas Sensor | |
| Kember et al. | Air pollution monitoring and the role of semiconductor sensors |