быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления
Классы МПК: | G01N27/12 твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой |
Автор(ы): | Николаев И.Н., Николаева А.И., Детинина О.И. |
Патентообладатель(и): | Николаев Игорь Николаевич, Николаева Анна Игоревна, Детинина Ольга Игоревна |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-11-19 публикация патента:
10.01.2004 |
Изобретение относится к области измерения концентраций водорода и может быть использовано при изготовлении газоанализаторов взрывоопасных концентраций водорода в космической технике, автомобильной промышленности, химической промышленности и т.д. Техническим результатом данного изобретения является повышение быстродействия датчика до 0,1 с. Сущность: предлагается резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (более 1 об.%), содержащий изолирующую подложку, водородочувствительный тонкопленочный элемент, нанесенный на подложку, нагревательный элемент, подогревающий водородочувствительный тонкопленочный элемент. Водородочувствительный тонкопленочный элемент выполнен из материала, содержащего, по меньшей мере, палладий, подвергнутого термообработке, обеспечивающей образование окисла палладия или из окисла палладия, переходящего в металлический палладий под действием водорода. Также предлагается способ изготовления водородочувствительного тонкопленочного элемента резистивного датчика взрывоопасных концентраций водорода, заключающийся в формировании на изолирующей подложке тонкой пленки металла с возможностью подогрева ее нагревательным элементом. Тонкую пленку металла выполняют, по меньшей мере, из палладия, а затем кратковременно ее нагревают, обеспечивая образование окисла палладия, не доводя пленку металла до полного окисления. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода, содержащий изолирующую подложку, водородочувствительный тонкопленочный элемент, нанесенный на подложку, и нагревательный элемент, подогревающий водородочувствительный тонкопленочный элемент, отличающийся тем, что водородочувствительный тонкопленочный элемент выполнен из материала, содержащего, по крайней мере, палладий, из которого нагреванием, не доводящим до полного окисления палладия, получен окисел палладия, переходящий в металлический палладий под действием водорода взрывоопасных концентраций.2. Резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода, содержащий изолирующую подложку, водородочувствительный тонкопленочный элемент, нанесенный на подложку, и нагревающий элемент, подогревающий водородочувствительный тонкопленочный элемент, отличающийся тем, что водородочувствительный тонкопленочный элемент выполнен из материала, содержащего, по крайней мере, окисел палладия, переходящий в металлический палладий под действием водорода взрывоопасных концентраций.3. Способ изготовления водородочувствительного тонкопленочного элемента резистивного датчика взрывоопасных концентраций водорода, заключающийся в формировании на изолирующей подложке тонкой пленки металла с возможностью подогрева ее нагревательным элементом, отличающийся тем, что тонкую пленку металла выполняют, по меньшей мере, из палладия, а затем кратковременно ее нагревают, обеспечивая образование окисла палладия, не доводя пленку металла до полного окисления.4. Способ изготовления водородочувствительного тонкопленочного элемента резистивного датчика взрывоопасных концентраций водорода по п.3, отличающийся тем, что для образования окисла палладия нагрев производят до температуры 360-400![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221004/176.gif)
![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221004/176.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области измерения концентраций водорода и может быть использовано при изготовлении газоанализаторов взрывоопасных концентраций водорода в космической технике, автомобильной промышленности, химической промышленности и т.д. Широко известны датчики водорода (GB заявка 2142147, G 01 N 27/08, 1988 г. , А.С. 1797028, G 01 N 27/12, 23.02.93 Бюл. 7, RU 2102735, G 01 N 27/12, 1998.01.20), у которых водородочувствительный элемент выполнен в виде тонкой пленки окислов типа SnO2, ZnO2, WО3, Fе2Оз и т.д. В этих датчиках водород из окружающей газовой среды диффундирует в пленку чувствительного элемента, в результате чего электросопротивление датчика меняется. Недостатками таких датчиков являются: отсутствие селективности относительно водорода; высокие температуры (400 - 800oС), необходимые для обеспечения быстродействия датчика; ограниченное быстродействие датчика (1-2 с), которое физически ограничивается скоростью диффузии водорода в глубь чувствительной пленки датчика. Известен водородный датчик (ЕР 0 768 528, опубл. 16.09.1996, G 01 N 27/12), содержащий электрически изолирующую подложку с нанесенной на нее тонкой аморфной титан-циркониевой пленкой (например, Ti52Zr48), поверх которой нанесена пленка палладия. На пленку палладия нанесены платиновые контакты. Водород диссоциирует на пленке палладия и диффундирует в никель-циркониевую пленку, изменяя ее электросопротивление пропорционально концентрации водорода. В описании изобретения отмечено, что использование пленки палладия в качестве покрывающего слоя обосновано тем, что диссоциация молекул водорода на поверхности палладия происходит быстрее, чем на других металлических поверхностях, и палладиевая пленка предотвращает окисление титан-циркониевой пленки. Недостатком данного датчика является недостаточно быстрая реакция на появление водорода в воздухе (порядка 3-10 с). Известен водородный датчик (US 6,265,222, опубл. July 24, 2001, G 01 N 007/00), являющийся наиболее близким предлагаемому изобретению, т.е. прототипом, содержащий водородочувствительный тонкопленочный элемент, включающий редкоземельный металл или дигидрид редкоземельного металла, пленочный нагревательный элемент, соединенный с вышеуказанным водородочувствительным тонкопленочным элементом. Работа данного датчика базируется на обратимом переходе (индуцируемым водородом) металлического дигидрида в полупроводниковый тригидрид (YH2![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221241/8592.gif)
![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221241/8594.gif)
фиг. 1 - схема устройства резистивного датчика взрывоопасных концентраций водорода;
фиг. 2 - характеристики принципа действия водородочувствительного датчика;
а - ступенчатая зависимость концентрации водорода (К) в воздухе от времени (t);
в - зависимость электросопротивления датчика (R) от времени;
с - медленно нарастающая концентрация водорода;
d - соответствующая кривой с зависимость электросопротивления датчика от времени. Резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода содержит (фиг.1) изолирующую подложку 1, резистивный водородочувствительный тонкопленочный элемент 2, нанесенный на подложку 1, пленочный нагревательный элемент 3, нанесенный на изолирующую подложку 4, металлические контакты 5 для измерения электросопротивления водородочувствительного элемента, металлические контакты 6 для пропускания тока через нагревательный элемент. Принцип действия датчика состоит в изменении его электросопротивления при появлении взрывоопасных концентраций водорода (более 1 об. %) в окружающей его газовой среде. В основе этого принципа лежит химическая реакция восстановления водородом чувствительной к водороду пленки окисла металла до металла. Датчик изготовлен следующим образом. На изолирующую подложку 1 напылением в вакууме (хотя возможна любая другая технология нанесения пленки) наносят тонкую пленку металла 2 или окисла металла. На пленку металла или окисла металла 2 наносят два металлических контакта 5 для измерения электросопротивления пленки 2. Датчик (1, 2, 5) расположен на нагревательном элементе (3, 4, 6), который может быть выполнен, например, в виде пленочного резистивного элемента. Подложка может быть выполнена из изолирующего материала, например ситалла, Аl2O3 и др. Если на подложку нанесена пленка 2 в виде металла, то при помощи нагревательного элемента 3 датчик кратковременно нагревают до температуры 360-400oС, при этом пленка металла 2 окисляется. Нагревание прекращают, когда электросопротивление пленки 2 достигнет заданной величины, например около 100 кОм, не доводя пленку металла до полного окисления (когда ее электросопротивление становится больше десятков МОм). Затем электрический ток в нагревателе уменьшают так, чтобы температура датчика была 100 -150oС. В таком состоянии датчик готов к работе. Если пленка 2 нанесена на подложку в виде окисла металла, то датчик уже готов к работе. Устройство работает следующим образом. На фиг.2 схематически показаны характеристики датчика. В момент времени t1 (фиг.2,а) в воздушную среду, окружающую датчик, поступает импульс концентрации K1 водорода порядка нескольких процентов в виде ступеньки, причем K1> K0, где К0 - минимальная (пороговая) концентрация, при которой датчик скачкообразно переходит из состояния с большим электросопротивлением R1 в сосотояние с малым электросопротивлением R2, как показано на фиг.2,в. При этом отношение R1/R2 может составлять один-три порядка (например, R1=100 кОм, а R2= 100 Ом). Время срабатывания,
![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221170/964.gif)
![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221170/964.gif)
![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221170/964.gif)
![быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления, патент № 2221241](/images/patents/247/2221170/964.gif)
Класс G01N27/12 твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой