Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10353
(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 20131144
(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 которую нанесен газочувствительный слой из полупроводникового материа-
ла, отличающийся тем, что электрод и нагревательный элемент выполнены из платино-
вой проволоки диаметром 20-50 мкм, причем на нагревательный элемент нанесен
полупроводниковый газочувствительный слой, содержащий нанокристаллический оксид
цинка и оксид галлия.
(56)
1. Патент RU 2274853, МПК G 01N 27/12, 2006.
2. Патент EP 0488503 A2, 1992 (прототип).
Фиг. 2
BY10353U2014.10.30

2. BY 10353 U 2014.10.30
2
Полезная модель относится к газовому анализу, в частности к детектирующим уст-
ройствам, предназначенным для обнаружения и количественного определения микропри-
месей диоксида азота, и может найти применение для мониторинга окружающей среды,
контроля воздуха рабочей среды производственных помещений, определения состава вы-
хлопных газов, определения состава прочих газовых смесей естественного и искусствен-
ного происхождения.
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 сравнительно сложная технология его изготов-
ления, сопряженная с необходимостью осуществления большого количества технологиче-
ских операций. Кроме того, изготовление полупроводниковой пленки состава CdTe(InSb),
которая служит газочувствительным элементом указанного датчика, требует применения
весьма дорогостоящих веществ, некоторые из которых, в частности соединения кадмия и
теллура, чрезвычайно токсичны.
Указанные недостатки отсутствуют в газовом датчике, имеющем газопроницаемый
корпус, в котором размещен электрод, выполненный из благородного металла, слой из
полупроводникового материала, полностью или частично покрывающий электрод из бла-
городного металла, и дополнительный слой, содержащий по крайней мере один из сле-
дующих металлов: платина, палладий, родий, золото, серебро, медь и оксид кремния.
Данная конструкция предусматривает наличие барьерного слоя, имеющего высокий
потенциал, который определяет характер взаимодействия между электродом из благород-
ного 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),
монооксид углерода (CO), пары этанола (C2H5OH), однако газочувствительный слой дан-
ного датчика, содержащий по крайней мере одно из следующих соединений: оксид олова,
оксид цинка, оксид индия, не обладает достаточной чувствительностью для определения
газов-окислителей, в частности диоксида азота (NO2).
Задачей полезной модели является разработка датчика диоксида азота с повышенной
чувствительностью к диоксиду азота, позволяющего контролировать содержание диокси-
да азота в атмосферном воздухе и воздухе рабочих сред промышленных предприятий,
удешевление его стоимости, а конструктивное исполнение изделия должно обеспечивать
возможность его функционирования с большинством 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 которую нанесен газочувствительный
слой из полупроводникового материала, причем электрод и нагревательный элемент вы-
полнены из платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм, на который нанесен полупро-
водниковый газочувствительный слой, содержащий нанокристаллический оксид цинка в
количестве 95-99 мас. % и оксид галлия в количестве 1-5 мас. %.
Таким образом, поставленная задача достигается за счет применения полупроводни-
ковой оксидной композиции оксида цинка и оксида галлия в количестве 95-99 мас. % ок-
сида цинка и 1-5 мас. % оксида галлия, которая в заявленной пропорции обладает высокой
чувствительностью к диоксиду азота в интервале концентраций 0-15 ppm, изменение про-
порций компонентов полупроводникового газочувствительного слоя приводит к сниже-
нию чувствительности к диоксиду азота, выполнение электрода в виде платиновой
проволоки диаметром 20-40 мкм обеспечивает величину потребляемой мощности сенсора
в диапазоне значений до 200 mV, уменьшение заявленного диаметра проволоки приводит
к снижению механической прочности изделия и к усложнению сборки датчика, увеличе-

3. BY 10353 U 2014.10.30
3
ние диаметра приводит к возрастанию потребляемой мощности датчика. Наибольшая чув-
ствительность заявляемого датчика к диоксиду азота наблюдается в интервале тока нагре-
ва электрода из платиновой проволоки 90-130 mA. Заявляемый датчик не обладает
чувствительностью к CO, H2, газообразным углеводородам (метан и др.). По сравнению с
прототипом газочувствительный слой состоит на 95-99 мас. % из сравнительно дешевого
оксида цинка, а способ получения газочувствительного слоя (осаждение из водных рас-
творов солей) характеризуется сравнительной простотой и экономичностью. При этом
наилучшими электрофизическими свойствами обладает газочувствительный слой, содер-
жащий 1 мас. % оксида галлия и 99 мас. % оксида цинка.
Металлический газопроницаемый колпачок позволяет обеспечить высокую механиче-
скую прочность изделия при удовлетворительном доступе анализируемого газа к поверх-
ности чувствительного 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 за-
креплены токоподводы 2, на которые методом термокомпрессии прикреплен электрод 3 из
платины, на котором размещен нагревательный элемент 4, выполненный в виде спирали
из платиновой проволоки диаметром 20-50 мкм, на которую нанесен полупроводниковый
газочувствительный слой 5, состоящий из смеси нанокристаллического оксида цинка в
количестве 95-99 мас. % и нанокристаллического оксида галлия в количестве 1-5 мас. %,
полученных методом осаждения из водных растворов солей при помощи аммиака, и ото-
жженной в воздухе после нанесения на нагревательный элемент при температуре 600 °С в
течение 5 ч. Газопроницаемый корпус 1 снабжен газопроницаемым металлическим кол-
пачком 6.
Заявляемый датчик работает следующим образом.
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 показано). Заданная величина тока разогревает нагревательный элемент 4 и
размещенный на нем газочувствительный слой 5 до требуемой рабочей температуры, дос-
тигаемой при нагреве стабилизированным постоянным током 100-120 mA. При контакте
исследуемого газа с газочувствительным слоем 5 происходит избирательная адсорбция
молекул диоксида азота, что в силу окислительной природы газа снижает концентрацию
электронов в зоне проводимости полупроводникового газочувствительного слоя 5 и, как
следствие, повышает электрическое сопротивление газочувствительного слоя 5. Поэтому
электрод 3 из платины меняет свое электрическое сопротивление, т.е. газочувствительный
слой 5 выполняет функцию шунтирования. Величина изменения электрического сопро-
тивления на электроде 3 зависит от концентрации в анализируемой смеси диоксида азота
и фиксируется выходным устройством газоанализатора (на фигурах не показан), в кото-
рый заявляемый датчик устанавливается.

4. BY 10353 U 2014.10.30
4
Фиг. 1
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.