Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10354
(13) U
(46) 2014.10.30
(51) МПК
G 01N 27/407 (2006.01)
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) ДАТЧИК ДИОКСИДА АЗОТА
(21) Номер заявки: u 20131145
(22) 2013.12.30
(71) Заявитель: Открытое акционерное
общество "Минский НИИ радиома-
териалов" (BY)
(72) Авторы: Таратын Игорь Александро-
вич; Гайдук Юлиан Станиславович;
Крайко Валерий Григорьевич; Креме-
невская Мария Славомировна (BY)
(73) Патентообладатель: Открытое акцио-
нерное общество "Минский НИИ ра-
диоматериалов" (BY)
(57)
Датчик диоксида азота, содержащий газопроницаемый корпус, электрод из благород-
ного металла, из средней части которого сформирован нагревательный элемент в виде
спирали, на который 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 полупро-
водниковый газочувствительный слой, содержащий нанокристаллические оксид индия и
оксид галлия.
(56)
1. Патент RU 2274853, МПК G 01N 27/12, 2006.
2. Патент EP 0488503 A2, 1992 (прототип).
Фиг. 2
BY10354U2014.10.30

2. BY 10354 U 2014.10.30
2
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к сенсорным уст-
ройствам, предназначенным для обнаружения и количественного определения микропри-
месей диоксида азота, и может найти применение в автоматизированных системах
контроля газового состава атмосферного воздуха и технологических газовых сред.
Известен датчик диоксида азота, содержащий полупроводниковое основание и под-
ложку, в котором полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической
пленки теллурида кадмия, легированного антимонидом индия, а подложкой служит элек-
тродная площадка пьезокварцевого генератора [1].
Недостатком данного датчика является сложная многоступенчатая технология его из-
готовления. Кроме того, изготовление полупроводниковой пленки состава CdTe(InSb), из
которой изготовлен газочувствительный элемент указанного датчика, требует применения
дорогостоящих веществ, причем некоторые из них, например соединения кадмия и теллу-
ра, очень токсичны.
Указанные недостатки отсутствуют в газовом датчике, имеющем газопроницаемый
корпус, в котором размещен электрод, выполненный из благородного металла, газочувст-
вительный слой из полупроводникового материала, полностью или частично покрываю-
щий 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 датчика предусматривает наличие барьерного слоя,
имеющего высокий потенциал, который определяет характер взаимодействия между элек-
тродом из благородного металла и полупроводниковым слоем [2].
Датчик обеспечивает возможность определения в газовоздушных смесях концентра-
ции газов-восстановителей, таких как метан (CH4) изобутан (изо-C4H10), водород (H2), мо-
нооксид углерода (CO) и пары этанола (C2H5OH), однако газочувствительный слой
данного датчика, содержащий по крайней мере одно из следующих соединений - оксид
олова, оксид цинка, оксид индия, не обладает достаточной чувствительностью для детек-
тирования газов-окислителей, в частности диоксида азота (NO2).
Задачей полезной модели является разработка датчика диоксида азота с высокой чув-
ствительностью к диоксиду азота, позволяющего контролировать содержание диоксида
азота в атмосферном воздухе и воздухе рабочих сред промышленных предприятий, а так-
же в технологических газовых средах, удешевление его стоимости, а конструктивное ис-
полнение изделия должно обеспечивать возможность его функционирования в составе
стандартных газоанализаторов.
Поставленная задача достигается тем, что датчик диоксида азота содержит газопрони-
цаемый корпус, электрод из благородного металла, из средней части которого сформиро-
ван нагревательный элемент в виде спирали, на который нанесен газочувствительный
слой из полупроводникового материала, причем электрод и нагревательный элемент вы-
полнены из платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм, причем на нагревательный эле-
мент нанесен полупроводниковый газочувствительный слой, содержащий нанокристал-
лические оксид индия в количестве 92-99 мас. % и оксид галлия в количестве 1-8 мас. %.
Таким образом, поставленная задача достигается за счет применения полупроводни-
ковой композиции оксида индия и оксида галлия в количестве 92-99 % оксида индия и 1-
8 % оксида галлия, которая в заявленной пропорции обладает высокой чувствительностью
к диоксиду азота, изменение пропорций компонентов полупроводникового слоя в любую
сторону приводит к снижению чувствительности к диоксиду азота, выполнение электрода
в виде платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм обеспечивает величину потребляемой
мощности сенсора в диапазоне значений до 200 mV, уменьшение заявленного диаметра
проволоки приводит к снижению механической прочности изделия и к затруднениям в
сборке датчика, увеличение диаметра приводит к возрастанию потребляемой мощности
сенсора. Наибольшая чувствительность заявляемого датчика к диоксиду азота в воздухе

3. BY 10354 U 2014.10.30
3
наблюдается в интервале стабилизированного тока нагрева электрода из платиновой про-
волоки 70-120 mA.
Металлический газопроницаемый колпачок обеспечивает хорошую механическую
прочность изделия при беспрепятственном проникновении всех компонентов исследуе-
мой газовой смеси к поверхности газочувствительного 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 раз-
мещен нагревательный элемент, выполненный в виде спирали 4, из платиновой проволоки
диаметром 20-50 мкм, на которую нанесен полупроводниковый газочувствительный слой
5, состоящий из смеси нанокристаллического оксида индия в количестве 92-9 % и нанок-
ристаллического оксида галлия в количестве 1-8 %, полученных золь-гель методом, и
отожженной в воздухе после нанесения на нагревательный элемент при температуре
850 °С в течение 5 ч. Корпус 1 снабжен газопроницаемым металлическим колпачком 6.
Заявляемый датчик работает следующим образом.
Аналитический сигнал заявляемого датчика возникает вследствие изменения электри-
ческой проводимости полупроводникового газочувствительного слоя 5, происходящего в
результате избирательной адсорбции газа, уменьшающей количество электронов в зоне
проводимости полупроводника. Аналитическим сигналом заявляемого датчика является
величина напряжения на токоподводах 2.
Заявляемый датчик помещают в термостатированную камеру (на фигурах не показа-
на), через которую пропускают (выдерживают) анализируемую газовую смесь, и подклю-
чают к источнику постоянного тока 1-2 В или соответствующему узлу газоанализатора (на
фигурах не показаны). Заданная величина тока разогревает нагревательный элемент 4 и
размещенный на нем газочувствительный слой 5 до требуемой рабочей температуры. При
контакте исследуемого газа с газочувствительным слоем 5 его электрическое сопротивле-
ние возрастает. Поэтому электрод 3 из платины также меняет свое электрическое сопро-
тивление, т.е. газочувствительный слой 5 выполняет функцию шунтирования. Величина
изменения электрического сопротивления на токоподводах 2 зависит от концентрации в
смеси диоксида азота, и фиксируется выходным устройством газоанализатора (на фигурах
не показан), в который заявляемый датчик устанавливается, или заменяющим его элек-
троизмерительным оборудованием.
Фиг. 1
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.