UA17424U - Gas detector - Google Patents

Abstract

The proposed gas detector contains a substrate with a gas-sensitive layer, electrodes, and metallic current leads. As the material of the electrodes, the material of the gas-sensitive layer is used.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель належить до пристроїв для контролю складу газових середовищ, зокрема до чутливих 2 елементів газоаналізаторів, і може бути використаний для виявлення і визначення концентрацій донорних та акцепторних газів, як, наприклад, Н 25, 50», МНз, СО, в хімічній промисловості, екології, медицині і інших галузях діяльності.The useful model belongs to devices for controlling the composition of gaseous media, in particular to the sensitive 2 elements of gas analyzers, and can be used to detect and determine the concentrations of donor and acceptor gases, such as H 25, 50", МНз, СО, in the chemical industry, ecology, medicine and other fields of activity.

Відомі твердотільні газові сенсори, дія яких базується на принципі зміни електропровідності газочутливого шару при впливі газових середовищ, і виконані з діелектрика і газочутливого покриття у вигляді тонкої плівки, 70 яка забезпечена контактними проводами для підключення у вимірювальний ланцюг. Крім того, ці сенсори містять плівковий нагрівальний елемент (11.Solid-state gas sensors are known, the action of which is based on the principle of changing the electrical conductivity of the gas-sensitive layer under the influence of gaseous media, and is made of a dielectric and a gas-sensitive coating in the form of a thin film, which is equipped with contact wires for connection to the measuring circuit. In addition, these sensors contain a film heating element (11.

Недоліки таких сенсорів полягають у необхідності використання складної схеми вимірювання електропровідності, нестабільності експлуатаційних параметрів, обумовленій деградацією матеріалів під час термоциклування, у багатостадійній технології виготовлення, яка потребує унікального обладнання. 19 До твердотільних газових сенсорів належить також звісний газовий сенсор, призначений для виявлення й визначення концентрацій таких горючих і токсичних газів, як, наприклад, водня, оксиду вуглецю, пари етилового спирту, летючих вуглеводнів, сірководню, двооксиду сірки та інших газів, який обрано у якості прототипу (21.The disadvantages of such sensors are the need to use a complex scheme for measuring electrical conductivity, the instability of operational parameters due to the degradation of materials during thermal cycling, in a multi-stage manufacturing technology that requires unique equipment. 19 Solid-state gas sensors also include a well-known gas sensor designed to detect and determine concentrations of such flammable and toxic gases as, for example, hydrogen, carbon monoxide, ethyl alcohol vapor, volatile hydrocarbons, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, and other gases, which is selected in quality of the prototype (21.

Сенсор містить металеву підкладку, яка може бути зроблена, наприклад, з цирконію, алюмінію, титану, ніобію і укрита з двох сторін газочутливим шаром, який являє собою плівку оксидів металу підкладки. На одну із сторін оксидованої підкладки термічним вакуумним осадженням або хімічним способом нанесено електропровідний газопроникний контакт, наприклад, із платини, паладію, срібла, золота, який є електродом для вимірювань. На протилежну сторону оксидованої підкладки нанесено плівковий мікронагрівач, виконаний з платини, нікелю або інших металів. Подавання на мікронагрівач електричного струму певної сили призводить до нагрівання газочутливого шару до робочої температури. При цьому на поверхні оксидної плівки хемосорбується іонізований 29 кисень. Наявність у атмосфері горючого газу, який реєструється в умовах спряження з каталітичною реакцією -о окислення іонізованим киснем, що супроводжується інжекцією електронів в оксидну плівку. При цьому змінюється ЕРС між металевою підкладкою і газопроникним контактом. Значина ЕРС служить вихідним сигналом сенсора і реєструється вольтметром. Конструкція звісного сенсора порівняно проста, виготовлення зразків не потребує унікального обладнання. Це сприяє створенню передумов для надійності і відтворюваності параметрів З у серії. сThe sensor contains a metal substrate, which can be made, for example, of zirconium, aluminum, titanium, niobium and is covered on both sides with a gas-sensitive layer, which is a film of metal oxides of the substrate. On one of the sides of the oxidized substrate, a conductive gas-permeable contact, for example, made of platinum, palladium, silver, gold, which is the electrode for measurements, is applied by thermal vacuum deposition or chemically. A film microheater made of platinum, nickel or other metals is applied to the opposite side of the oxidized substrate. Supplying the microheater with an electric current of a certain strength leads to the heating of the gas-sensitive layer to the operating temperature. At the same time, ionized 29 oxygen is chemisorbed on the surface of the oxide film. The presence of combustible gas in the atmosphere, which is registered under conditions of conjugation with the catalytic reaction - oxidation by ionized oxygen, accompanied by the injection of electrons into the oxide film. At the same time, the emf between the metal substrate and the gas-permeable contact changes. A significant emf serves as the output signal of the sensor and is recorded by a voltmeter. The design of the known sensor is relatively simple, the production of samples does not require unique equipment. This contributes to the creation of prerequisites for the reliability and reproducibility of the C parameters in the series. with

Разом з тим сенсор по прототипу має недоліки: по-перше, необхідність розігріву газочутливого шару потребує включення до конструкції додаткової схеми З живлення для пропускання струму через плівковий нагрівач, що ускладнює конструкцію сенсора; ї- по-друге, оскільки принцип роботи сенсора базується на вимірюванні різниці потенціалів неполяризованих 3о електродів (ЕРС), для забезпечення відтворюваності результатів стан електродів у кожному циклі вимірювань -- має бути строго тотожним вихідному, чого на практиці важко досягти за умовами хемосорбції та термічного впливу.However, the prototype sensor has disadvantages: firstly, the need to heat the gas-sensitive layer requires the inclusion of an additional power supply circuit in the design to pass current through the film heater, which complicates the design of the sensor; and secondly, since the principle of operation of the sensor is based on the measurement of the potential difference of non-polarized 3o electrodes (EMF), to ensure the reproducibility of the results, the state of the electrodes in each cycle of measurements must be strictly identical to the initial one, which in practice is difficult to achieve under the conditions of chemisorption and thermal impact

Запропоновану корисну модель спрямовано на створення твердотільного газового сенсора, вихідним « параметром якого є зміна струму у ланцюзі сенсора завдяки зміні опору газочутливої плівки, яка знаходиться у З 50 постійному електричному полі. Це забезпечує стабільність параметрів роботи у часі, спрощення конструкції і с способу виготовлення сенсора. з» Поставлена задача вирішується твердотільним газовим сенсором, що пропонується. Цей сенсор містить газочутливий шар і електроди, які знаходяться у контакті з газочутливим шаром, мають різну хімічну природу і сформовані з матеріалу газочутливого шару і металевого струмопідвода.The proposed useful model is aimed at creating a solid-state gas sensor, the output parameter of which is a change in the current in the sensor circuit due to a change in the resistance of the gas-sensitive film, which is in a constant electric field. This ensures the stability of the operating parameters over time, simplification of the design and the method of manufacturing the sensor. with" The task is solved by the proposed solid-state gas sensor. This sensor contains a gas-sensitive layer and electrodes, which are in contact with the gas-sensitive layer, have a different chemical nature and are formed from the material of the gas-sensitive layer and a metal current lead.

Крім того, газочутливий шар є іон - радикальна сіль 7,7,8,8 - тетрацианохінодиметана. - Електроди сформовані під напругою, яка подається від зовнішнього джерела. -І Твердотільний контакт газочутливого шару і металевої фази виконано методом евапорації розчинника з розчину солі 7,7,8,8 - тетрацианохінодиметана. т- Металевий струмопідвод виконано з міді. ка 20 На фігурі схематично зображено запропонований твердотільний газовий сенсор.In addition, the gas-sensitive layer is an ion - a radical salt of 7,7,8,8 - tetracyanoquinodimethane. - The electrodes are formed under voltage supplied from an external source. -I The solid-state contact of the gas-sensitive layer and the metal phase is made by the method of solvent evaporation from the 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane salt solution. t- The metal current supply is made of copper. ka 20 The figure schematically shows the proposed solid-state gas sensor.

Сенсор містить газочутливий шар 1, який є іон - радикальною сіллю 7,7,8,8 - тетрацианохінодиметану. ЗThe sensor contains a gas-sensitive layer 1, which is an ion - a radical salt of 7,7,8,8 - tetracyanoquinodimethane. WITH

Т» сіллю контактують два електроди 2, б, які мають різну хімічну природу і сформовані на межі контакту газочутливого шару 1 і металевих, наприклад, мідних, струмопідводячих контактів 3, 7.Two electrodes 2, b, which have a different chemical nature and are formed at the boundary of the contact of the gas-sensitive layer 1 and metal, for example, copper, current-carrying contacts 3, 7, are in contact with T» salt.

Твердотільний контакт газочутливого шару і металевої фази виконано методом евапорації розчинника, 29 наприклад, ацетону, ацетонітрилу або диметилформаміду із розчина солі 7,7,8,8 - тетрацианохінодиметана. У с процесі випарювання розчинника до струмопідводів З, 7 прикладається напруга від зовнішнього джерела, у результаті чого на межах розподілу газочутливий шар - метал формуються електроди різної хімічної природи, які мають різні потенціали.The solid-state contact of the gas-sensitive layer and the metal phase is made by evaporation of a solvent, 29 for example, acetone, acetonitrile, or dimethylformamide from a solution of the 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane salt. In the process of evaporating the solvent, a voltage from an external source is applied to the current leads 3, 7, as a result of which electrodes of different chemical nature are formed at the boundaries of the distribution of the gas-sensitive layer - metal, which have different potentials.

Запропонований сенсор діє наступним чином. Газовий агент, який аналізується, адсорбується на поверхні 60 газочутливого шару 1 і збільшує його електропровідність. Квазіодномірний характер провідності кристалів солей 7,7,8,8 - тетрацианохінодиметана призводить до її потужної залежності від розподілення електронної густини, яке, у свою Чергу, підлягає суттєвим змінам при адсорбційних процесах. Це обумовлює специфічність впливу на провідність різних газоподібних речовин. Оскільки газочутливий шар знаходиться в електричному полі електродів 2, 6, збільшення провідності призводить до збільшення струму у електричному ланцюзі, створеному бо шляхом підключення струмопідводів З, 7 до постійного опору 4. У якості вихідного сигналу використовується падіння напруги на цьому опорі, яке реєструється за допомогою підключеного до опору високоомного вольтметра 5. Газочутлива речовина у запропонованому сенсорі функціонує за нормальних умов, що виключає необхідність нагрівального пристрою. Це спрощує конструкцію сенсора та схему його підключення. Спрощення схеми підключення забезпечується також наявністю у запропонованому сенсорі внутрішнього джерела струму.The proposed sensor works as follows. The gas agent being analyzed is adsorbed on the surface 60 of the gas-sensitive layer 1 and increases its electrical conductivity. The quasi-one-dimensional nature of the conductivity of crystals of salts of 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane leads to its strong dependence on the distribution of electron density, which, in turn, is subject to significant changes during adsorption processes. This determines the specificity of the effect on the conductivity of various gaseous substances. Since the gas-sensitive layer is in the electric field of the electrodes 2, 6, the increase in conductivity leads to an increase in the current in the electric circuit, which is created by connecting the current leads З, 7 to the constant resistance 4. The voltage drop across this resistance is used as the output signal, which is registered using connected to the resistance of a high-resistance voltmeter 5. The gas-sensitive substance in the proposed sensor functions under normal conditions, which eliminates the need for a heating device. This simplifies the design of the sensor and its connection scheme. Simplification of the connection scheme is also provided by the presence of an internal current source in the proposed sensor.

До того ж внутрішнє джерело енергії дозволяє реалізувати просту і надійну схему реєстрації вихідного сигналу.In addition, the internal energy source allows you to implement a simple and reliable scheme for registering the output signal.

Все це забезпечує суттєві переваги запропонованого сенсора у порівнянні з відомим.All this provides significant advantages of the proposed sensor in comparison with the known one.

Джерела інформації 1. А.с. 1797027 СССР, МКИ 001 М 27/12. Полупроводниковьій датчик состава газов и способ его 7/0 Мзготовления/ И.В. Паршиков, Л.Т. Рамус, А.П. Бутьірский. - Опубл. 1993, Бюл. изобрет. Мо7. 2. Патент РФ 2100801, МКИ 01 М 27/12. Твердотельньй газовьій сенсор/ А.В. Ефименко, Т.Л. Семенова. -Sources of information 1. A.s. 1797027 USSR, MKY 001 M 27/12. Semiconductor gas composition sensor and its method 7/0 Mzgotovleniya/ I.V. Parshikov, L.T. Ramus, A.P. Butyrskyi - Publ. 1993, Bull. invention Mo7. 2. Patent of the Russian Federation 2100801, MKY 01 M 27/12. Solid-state gas sensor/ A.V. Efimenko, T.L. Semenov -

Опубл. 1997.Publ. 1997.

Claims (5)

Формула винаходуThe formula of the invention 1. Твердотільний газовьій сенсор, що містить газочутливий шар і електроди, який відрізняється тим, що електроди, які знаходяться у контакті з газочутливим шаром, мають різну хімічну природу і сформовані з матеріалу газочутливого шару і металевого струмопідвода.1. A solid-state gas sensor containing a gas-sensitive layer and electrodes, which is characterized by the fact that the electrodes that are in contact with the gas-sensitive layer have a different chemical nature and are formed from the material of the gas-sensitive layer and a metal current lead. 2. Сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що газочутливим шаром є іон-радикальна сіль 7,7,8,8-тетраціанохінодиметану.2. The sensor according to claim 1, which differs in that the gas-sensitive layer is a radical ion salt of 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane. З. Сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що електроди сформовані під напругою, яку подають від зовнішнього джерела.Q. The sensor according to claim 1, which differs in that the electrodes are formed under a voltage supplied from an external source. 4. Сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що твердотільний контакт газочутливого шару і металевої фази ов Виконано методом евапорації розчинника з розчину солі 7,7,8,8-тетраціанохінодиметану.4. The sensor according to claim 1, which differs in that the solid-state contact of the gas-sensitive layer and the metal phase is made by the method of solvent evaporation from the 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane salt solution. 5. Сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що металевий струмопідвід виконано з міді. - « с « ча ч- -5. The sensor according to claim 1, which differs in that the metal current lead is made of copper. - « с « ча ч- - с . и? - -І щ» з 50 с» с 60 б5with . and? - -I sh» with 50 s» with 60 b5