Spôsob detekcie plynov a polovodičový detektor plynov pracujúci pri izbovej teplote

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

m) SK ÚŽITKOVÝ VZOR 7 2 5 3(22) IVDátum podania prihlášky 4. 11. 2014 (13) Druh dokumentu Yl(32) Dátum podania prioritnej prihlášky (51) ĺľlľ C 1- (201501)organizácia priority GOIN 27/00(43) Dátum zverejnenia prihlášky 1. 4. 2015 Vestník UPV SR Č. 04/2015ÚRAD úžitkového vzoru 3. 9. 2015 PRIEMYSELNÉHO Vestník ÚPV SR č. 09/2015VLAS TNÍCTVA (47) Dátum zápisu a sprístupnenia SLOVENSKEJ REPUBLIKY úžitkového vzoru verejnosti 23. 7. 2015(62) Číslo pôvodnej prihlášky V prípade vylúčenej prihlášky(67) Číslo pôvodnej patentovej prihlášky V prípade odbočenia(86) Číslo podania medzinárodnej prihlášky podľa PCT(87) Číslo zverejnenia medzinárodnej prihlášky podľa PCT(96) Číslo podania európskej patentovej prihlášky(73) Majiteľ Univerzita Komenského V Bratislave, Bratislava, SK Centrum vedecko-technických informácií SR, Bratislava, SKPleceník Andrej, prof., DrSc., Bratislava, SK Truchlý Martin, RNDr., PhD., Ružomberok, SK Ďurina Pavol, Ing., PhD., Bánovce nad Bebravou, SK Haidry Azhar Ali, PhD., Bratislava, SK(54) Názov Spôsob detekcie plynov a polovodičový detektor plynov pracujúci pri izbovej teplotePolovodičový detektor plynov má plynocitlivú tenkú vrstvu(l) hrúbky jednotiek až stoviek nanometrov umiestnenú medzi spodnou kovovou elektródou (2) a vrchnou kovovou elektródou (3), pričom vrchná elektróda je V tvare tenkého mostíka alebo viacerých mostíkov. Mostík alebo viaceré mostíky tvoriace vrchnú elektródu (3) polovodičového detektora sú zúžené na úroveň menej ako 10-násobnú, ako je difúzna dlžka detegovaného plynu v plynocitlivéj vrstve (l) polovodičového detektora, a meria sa elektrický odpor plynocitlivéj vrstvy (l) medzi elektródami (2) a (3) polovodičového detektora, pričom V prítomnosti detegovaného plynu v atmosfére dochádza aj pri izbovej teplote k prudkému poklesu meraného odporu.Technické riešenie sa týka oblasti elektrotechniky, presnejšie polovodičových súčiastok a polovodičových detektorov plynov.Polovodičové detektory plynov sú založené na meraní zmeny elektrického odporu plynocitlivej polovodivej tenkej vrstvy, pričom táto zmena odporu je spôsobená kontaktom tejto vrstvy s oxidačnými alebo redukčnými plynmi v okolitej atmosfére. Z nameranej zmeny odporu sa dá následne na základe predchádzajúcej kalibrácie určiť koncentrácia delegovaného plynu. Výhodou takýchto polovodičových detektorov plynov je ich jednoduchosť a nízka výrobná cena.Závažným nedostatkom v súčasnosti bežne vyrábaných polovodičových detektorov plynov je ich slabá selektivita (schopnosť rozlíšiť, o aký plyn ide) a pracovná teplota, ktorá sa zvyčajne pohybuje na úrovni 200 až 400 °C. Potreba zvýšenej pracovnej teploty detektora výrazne zvyšuje spotrebu energie, v niektorých prípadoch znemožňuje použitie detektora vo výbušných prostrediach a komplikuje jeho integráciu s ostatnou elektronikou. Snahou je preto vyvinúť polovodičové detektory, ktoré by boli dostatočne citlivé aj pri izbovej teplote.Nevýhody bežne dostupných polovodičových detektorov plynov do značnej miery odstraňuje polovodičový detektor plynov podľa tohto technického riešenia.Cieľom predkladaného technického riešenia je inovácia polovodičových detektorov plynov na báze oxidových plynocitlivých tenkých vrstiev. Novosť riešenia spočíva v priestorovom usporiadaní a geometrii meracích elektród a plynocitlivej vrstvy, vďaka ktorému je možné dosiahnuť vysokú Citlivosť takéhoto detektora aj pri izbovej teplote.V súčasnosti vyrábané detektory plynov majú zvyčajne obe meracie elektródy umiestnené na povrchu plynocitlivej vrstvy. V navrhovanom detektore je plynocitlivá tenká vrstva umiestnená medzi spodnou kovovou elektródou, na ktorej tvare nezáleží, a vrchnou kovovou elektródou v tvare tenkého mostíka, resp. viacerých mostíkov (obrázok 1). Merací prúd teda na rozdiel od klasických detektorov tohto typu prechádza plynocitlivou vrstvou V smere kolmom na vrstvu.Zúžením mostíka tvoriaceho vrchnú elektródu na úroveň porovnateľnú alebo menšiu, t. j. menej ako 10-násobnú, ako je difúzna dĺžka detegovaného plynu v plynocitlivej vrstve, a pri dostatočne vysokom napätí naloženom na elektródy dochádza v prítomnosti detegovaného plynu v atmosfére k prudkému poklesu odporu. Tento pokles odporu, a tým aj citlivosť uvedeného detektora sú o niekoľko rádov väčšie ako v prípade detektora s vrchnými elektródami so šírkou viac ako IO-násobok difúznej dĺžky detegovaného plynu v plynocitlivej vrstve, resp. v prípade detektora s klasickým usporiadaním elektród, a to aj pri izbovej teplote. Pod klasickým usporiadaním elektród sa rozumie detektor, ktorý má obe meracie elektródy, vrchnú aj spodnú,umiestnené na povrchu plynocitlivej vrstvy. Napätie naložené na elektródy potrebné na dosiahnutie zvýšenej citlivosti sa môže meniť v širokom rozsahu hodnôt. Jeho veľkosť závisí najmä na šírke vrchnej elektródy, ale aj na hrúbke plynocitlivej vrstvy a jej mikroskopickej štruktúre, na koncentrácii detegovaného plynu a na jeho difúznej hĺbke.Prehľad obrázkov na výkresochObrázok 1 znázorňuje priestorové usporiadanie elektród a plynocitlivej vrstvy detektora.Obrázok 2 znázorňuje dynamické odozvy detektora so šírkou hornej elektródy 600 nm (a) a 100 nm (b) na 1 Hzv technickom vzduchu pri operačnej teplote 24, 50 a 100 °C.Obrázok 3 znázorňuje závislosť odporu detektoravých štruktúr pri O a l H 1 od šírky vrchnej elektródy pri teplote 24, 50 a 100 °C (a) a výsledná odozva detektora (pomer odporov detektora pri 0 a 1 H 2) v závislosti od šírky hornej elektródy pri izbovej teplote (24 °C).Obrázok 4 znázorňuje dynamické odozvy detektora s hornou elektródou tvorenou 500 paralelne zapojenými 100 nm širokými mostíkmi pri izbovej teplote na koncentrácie vodíka od 300 do 10 000 ppm.Technické riešenie bolo realizované nasledovneSpodná elektróda z vo forme 100 mikrometrov širokého platinového mostíka bola pripravená lift-off optickou litografiou a následnou depozíciou platiny hrúbky 20 nm magnetrónovým naprašovaním. Následne bola reaktívnym magnetrónovým naprašovaním V Ar O 2 atmosfére z Ti terča deponovaná TiO 2 plynocitlivá vrstva 1 hiúbky približne 30 nanometrov. V ďalšom kroku bola pripravená vrchná elektróda 3 depozíciou 20 nm hrubej platinovej vrstvy magnetrónovým naprašovaním, z ktorej bol ďalej pomocou elektrónovej litografie a následného iónového leptania vytvarovaný 100 - 1100 nm široký mostík ponad spodnú elektródu g. Celá štruktúra bola nakoniec žíhaná na vzduchu pri teplote 600 °C počas l hodiny.Meranie parametrov detektora bolo realizované v uzavretej komore v prietokovom režime. Do komory bol počas merania napúšťaný buď technický vzduch, alebo technický vzduch s 1 vodíka, pričom bol monitorovaný odpor detektorovej štruktúry medzi spodnou z a vrchnou elektródou ž. Pri meraní bolo na elektródy privedené jednosmerné napätie 0,5 V a meral sa prúd prechádzajúci detektorovou štruktúrou. Namerané dynamické odozvy na l H 2 (t. j. časový vývoj odporu detektorovej štmktúry pri zvýšení koncentrácie vodíka z 0 na l H 2 a následnej zmene späť na 0 ) pre detektory s vrchnou elektródou 3 šírky 600 nm a 100 nm pri teplote 24, 50 a 100 °C sú zobrazené na obrázku 2. Ako možno vidieť, testované štruktúry sú vysoko citlivé na vodík pri všetkých testovaných teplotách, pričom štruktúra so šírkou vrchnej elektródy 3100 nm reaguje na prítomnosť 1 H 2 v atmosfére podstatne väčšou zmenou odporu, a to aj pri izbovej teplote. Závislost odporu detektorových štruktúr na šírke hornej elektródy pri 0 a 1 H 2 je zobrazená na obrázku 3 a a výsledná odozva detektora (t. j. pomer odporov detektora pri O a 1 H 2) na obrázku 3 b. Z obrázka 3 a a 3 b je zrejmé, že pri znížení šírky elektródy pod úroveň 200 nm prišlo k prudkému nárastu citlivosti tohto typu detektora.Na obrázku 4 sú znázornené dynamické odozvy detektora, ktorý bol pripravený rovnako ako uvedené detektory, s tým rozdielom, že vrchná elektróda 3 je tvorená 500 paralelne zapojenými mostíkmi so šírkou približne 100 nm. Merania pre koncentrácie vodika od 300 do 10 000 ppm (parts per million, 10 000 ppm l H 2) zobrazené na obrázku 4 boli robené pri izbovej teplote.Navrhované riešenie plynového detektora vďaka svojej schopnosti pracovať s vysokou citlivosťou pri izbových teplotách, bez nutnosti výhrevu, významne znižuje spotrebu energie detektora plynov v porovnaní s bežnými detektormi tohto typu. Zároveň umožňuje použitie detektora plynov aj vo výbušných prostrediach a významne zjednodušuje integráciu na jeden integrovaný obvod s ostatnou elektronikou.l. Spôsob detekcie plynov s využitím polovodičového detektora plynov, V y z n a č u j ú ci s a t ý m , že mostík alebo viaceré mostíky tvoriace vrchnú elektródu (3) polovodičového detektora sú zúžené na úroveň menej ako IO-násobnú, ako je difúzna dĺžka detegovaného plynu v plynocitlivej vrstve (1) polovodičového detektora, a meria sa elektrický odpor plynocitlivej vrstvy (1) medzi elektródami (2) a (3) polovodičového detektora, pričom v prítomnosti detegovaného plynu v atmosfére dochádza aj pri izbovej teplote k prudkému poklesu meraného odporu, pričom tento pokles je minimálne o 1 rád väčší ako v prípade detektora s vrchnými elektródami (3) so šírkou viac ako 10-násobok difúznej dĺžky detegovaného plynu v plynocitlivej vrstve (1).2. Polovodičový detektor plynov s detekciou plynov podľa nároku 1, V y z n a č u j ú c i s a t ý m ,že má plynocitlivú tenkú vrstvu (1), ktorá je umiestnená medzi spodnou kovovou elektródou (2) a vrchnou kovovou elektródou (3), pričom vrchná kovová elektróda (3) je v tvare mostíka alebo viacerých mostíkov so šírkou menej ako 10-násobnou, ako je difúzna dlžka detegovaného plynu v plynocitlivej vrstve (l) polovodičového detektora.

MPK / Značky

MPK: G01N 27/30, G01N 27/407

Značky: izbovej, detektor, spôsob, pracujúci, teplotě, polovodičový, detekcie, plynov

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/5-u7253-sposob-detekcie-plynov-a-polovodicovy-detektor-plynov-pracujuci-pri-izbovej-teplote.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob detekcie plynov a polovodičový detektor plynov pracujúci pri izbovej teplote</a>

Podobne patenty