Спосіб виготовлення давача для виявлення і контролю вмісту донорно-акцепторних газів, пар органічних сполук і їхніх сумішей

Спосіб виготовлення давача для виявлення і контролю вмісту донорно-акцепторних газів, пар органічних сполук і їхніх сумішей, який полягає в тому, що змішують, щонайменше, один оксид металу у вигляді порошку з об'єднувальними матеріалами до утворення однорідної суміші, формують активну масу давача на діелектричну поверхню, під якою розміщується металевий нагрівач та електричні контакти, а фіксація суміші на діелектричній поверхні здійснюється за рахунок зовнішньої термообробки, який відрізняється тим, що активну масу давача формують на поверхні нагрівального елемента в єдиному циклі, шляхом електролітичного осадження її металічних складових з одночасним електрофоретичним осадженням мікрочастинок окису легкоплавкого металу - матриці активної маси давача (із суспензії водного розчину солей цих металів і мікрочастинок твердої фази оксиду легкоплавкого металу), для виключення (при циклуванні давача в інтервалі від низьких до високих температур) внутрішніх напружень на межі розділу метал нагрівача / оксиди металів, що складають масу давача, нагрівальній елемент виготовляють з матеріалів з високим електричним опором, ЛІНІЙНІСТЬ вольт-амперної характеристики електричних контактів на межі метал нагрівача / оксиди металів, що складають масу давача, забезпечують шляхом електрохімічної металізації на стадії електролізу металевих складових активної маси і електрофоретичного осадження мікрочастинок (матриці) з оксиду легкоплавкого металу, для підвищення хімічної СТІЙКОСТІ активної маси давача и покривають шаром з оксиду жароміцного металу, сушіння та відпал активної маси давача та захисного покриття здійснюють за рахунок тепла, що виділяється при пропусканні електричного струму крізь нагрівальний елемент давача 1 (О Винахід відноситься до аналітичної хімії, аналітичного приладобудування, і може використовуватися при виготовленні давачів газосигналізаторів та газоаналізаторів для виявлення і контролю ВМІСТІВ донорно-акцепторних газів, пар органічних сполук і їхніх сумішей Відомий спосіб виготовлення чутливих каталітичних елементів, який полягає в обробці каркасу з платинового дроту розчинами солей паладію та платини з наступним сушінням і прокалюванням на повітрі, після чого оксидний шар обробляють розчином, який містить йони паладію, платини і резинату алюмінію втритичному бутиловому спирті [1] Недоліком цього способу є мала імовірність виявлення гранично малих концентрацій газів і високі ВІДНОСНІ помилки виміру, велика инерційність, які обумовлені низькою активністю одержу ваного таким способом чутливого шару давача Відомий також спосіб виготовлення безкорпусного напівпровідникового давача для виявлення газів, де активна маса чутливого елементу (ЧЕ) давача наноситься у вигляді тонкої плівки оксидів на діелектричну трубку, усередині якої розташовується нагрівальний елемент Електричні контакти формуються по окремій технології на чутливому елементі давача [2] Недоліком цього способу є також мала імовірність виявлення гранично малих концентрацій газів і високі ВІДНОСНІ помилки виміру, велика інерЦІЙНІСТЬ, які обумовлені тим, що маса чутливого шару давача швидко втрачає повну поворотність циклів адсорбцм-десорбцм газів та пару, активна маса порушається через наявність внутрішніх напружень, які виникають у шарі чутливого елемента 47767 та діелектричній основі давача при розігріві до температури 600 - 700°С Найбільш близьким, що до пропонуємого, обраним як прототип, є спосіб виготовлення давана для виявлення і контролю ВМІСТІВ донорно-акцепторних газів, пар органічних сполук і їхніх сумішей, якій має активну масу ЧЕ давана у вигляді пористої кераміки з металооксидних напівпровідників и полягає у змішуванні, щонайменше, одного оксиду металу у вигляді порошку з об'єднувальними матеріалами до утворення однорідної суміші, формування з неї активної маси ЧЕ на поверхні каркасу давана Режим термообробки дозволяє одержати пористу структуру для збільшення поверхні, що контактує з газом Оскільки температура відпалу , як правило, висока, матеріалами для каркасу-нагрівача та електричних контактів вибирають платину(РІ), паладій(Рсі) або їх сплави [3] Недоліком цього способу є мала імовірність виявлення гранично малих концентрацій газів і високі ВІДНОСНІ помилки виміру, велика інерційність, які обумовлені низькім зчепленням між частинками оксидів металу з поверхнею нагрівального елемента (в наслідок виникнення внутрішніх напружень між частинками оксидів різноманітних металів та металом нагрівального елемента) В основу винаходу покладена задача створити спосіб виготовлення давана для виявлення і контролю ВМІСТІВ донорно-акцепторних газів, пар органічних сполук і їхніх сумішей, який не має вищеподаних недоліків, тобто який забезпечує підвищення імовірності виявлення газів і пар органічних сполук при їх гранично малих концентраціях, зниження відносних помилок виміру і зниження інерЦІЙНОСТІ, та високу стабільність результатів вимірів Для цього необхідно створити такий технологічний спосіб виготовлення давача, котрий забезпечує механічну та хімічну незруйнованість активної маси давача при режимах багаторазового циклуваннядавача у робочому діапазоні температур 25 - 800 С та ЛІНІЙНІСТЬ електричної характеристики (контакту на межі метал / оксид металу) електричних контактів Можливість реалізації способу досягається тим, що для запобігання порушення активної маси ЧЕ, яка нанесена на металічну основу (на нагрівальний елемент), останню виготовляють з матеріалу, який має високий електричний опір (наприклад, ніхром), близький до електричного опіру активної маси ЧЕ, поверхню нагрівального елемента піддають електрохімічній металізації (наприклад, шліруванню) з одночасним електрофоретичним осадженням мікрочастинок оксиду легкоплавкого металу (наприклад, АЬОз), які являють собою матрицю для жорсткої фіксації оксидів олова та ІНДІЮ, далі здійснюють електрохімічне осадження металів, які складають основу активної маси ЧЕ (наприклад, олова та ІНДІЮ) ІЗ суспензії водяного розчину солей цих металів і високодисперсної фази оксиду легкоплавкого металу (наприклад, АЬОз), і таким чином, багаторазово повторюють процес пошарового формування олова, ІНДІЮ та частинок АЬОз, після чого виконують його термічне сушіння та відпал при високих температурах (наприклад, з початку при 100 - 200°С, потім при 500 - 700°С), у результаті чого формують високопористу адсорбційно-активну масу - чутливий шар ЧЕ давача, далі поверхню активної маси ЧЕ покривають шаром з оксиду жароміцного, що має вентильні властивості металу (наприклад, ТЮг), ЛІНІЙНІСТЬ електричної характеристики електричних контактів ЧЕ забезпечують шляхом електрохімічної металізації (наприклад, індірування) поверхні нагрівального елемента на стадії формування активної маси на поверхні нагрівального елемента, причому, сушіння та відпал активної маси ЧЕ і захисного покриття проводять за рахунок тепла, що виділяється при пропущенні електричного струму через тіло металевого каркасу (нагрівального елемента) ЧЕ Покладена задача вирішується тим, що в способі виготовлення давача активна маса ЧЕ з металооксидних напівпровідників — БпгОз и ІП2О3, формується на матриці - носи з мікрочастинок АЬОз, котрі осаджуються на поверхню каркасу нагрівача у режимі сполучення процесів електролітичного осадження ІНДІЮ та олова (компонент фаз активної маси ЧЕ) та електрофоретичного осадження частинок АЬОз, оптимальний режим термообробки (сушіння та відпалу) забезпечує повноту окислення олова та ІНДІЮ на всю глибину ЧЕ та одержання пористої структури активної маси давача, нагрівальний елемент давача виконують з матеріалу, який має високий електричний опір, сумарний з електричним опіром шару активної маси давача, поверхню активної маси ЧЕ давача покривають шаром з оксиду жароміцного металу (наприклад, ТЮг), який є захисним покриттям та підвищує хімічну СТІЙКІСТЬ активної маси давача, ЛІНІЙНІСТЬ вольтамперометричної характеристики контактів нагрівального елементу з високоомного матеріалу забезпечують шляхом електрохімічної металізації поверхні нагрівального елемента на стадії формування активної маси давача і захисного покриття на поверхні нагрівального елемента, причому, сушіння і відпал активної маси ЧЕ і захисного покриття проводять за рахунок тепла, яке виділяється при проходженні електричного струму через тіло металевого каркасу давача Рішення, що пропонується, дозволяє вирішити задачу підвищення імовірності виявлення газів при їх гранично малих концентраціях, знизити ВІДНОСНІ помилки виміру і знизити шерційність, суттєво збільшити строк праці давача та підвищити стабільність вимірювань за рахунок того, що нагрівальний елемент виготовлюють із матеріалу з високим електричним опіром, близьким до опіру активної маси давача, нанесення активної маси ЧЕ безпосередньо на нагрівальній елемент (все це забезпечує високу механічну стабільність активної маси ЧЕ давача і можливість використовувати його (давача) як елемент вимірювальної схеми без додаткової термічної компенсації}, металізації поверхні каркасу давача - осадження компонентів активної маси ЧЕ на матриці - ноем из частинок АЬОз, які одночасно осаджуються з атомами Sn и In електрофоретичне, сушіння та віджиг шарів металічних компонент активної маси ЧЕ давача виконується в основному, за рахунок тепла, яке виділяється при пропущенні електричного струму через тіло мета 47767 левого каркаса ЧЕ давача, що забезпечує рівномірний нагрів шарів компонентів оксидів активної маси, та високу и дисперсність Суттєвість запропонованого способу полягає в наступному На поверхні нагрівального елементу, з високим електричним опіром (наприклад, із ніхрому), формують масу чутливого елемента давача шляхом сполучення декількох технологічних операцій Для забезпечення ЛІНІЙНОСТІ електричного контакту каркаса з активною масою ЧЕ виконують електрохімічне осадження металу (наприклад, Індію) на поверхні нагрівального елементу з одночасним електрофоретичним осадженням мікрочастинок оксиду легкоплавкого металу (наприклад, АЬОз) Активну масу ЧЕ давача формують шляхом електролітичного осадження металів (наприклад, олова та ІНДІЮ) ІЗ суспензії водяного розчину їх і високодисперсної фази оксиду легкоплавкого металу (наприклад, АЬОз), - в об'ємі краплі, яка заповнює каркас нагрівального елемента Далі, оброблений зазначеним чином нагрівальний елемент, піддають термічним сушінню і відпалу, в основному, за рахунок тепла, що виділяється при пропущенні електричного струму через тіло нагрівального металевого каркасу давача, в наслідок чого формується адсорбційно-активна маса - чутливий елемент давача, який складається з оксидів (наприклад, алюмінію (АЬОз), олова (БпгОз) та ІНДІЮ (ІП2О3)) Цей технологічний процес повторюють багаторазово, до повного покриття нагрівального елемента масою оксидів АІ, Sn, In у необхідних пропорціях Для продовження терміну служби давача, що визначається сталістю ХІМІЧНОГО складу маси чутливого елемента в процесі роботи з агресивними газами (які мають високі відбудовні властивості), поверхню активної маси чутливого елемента давача покривають шаром з оксиду жароміцного, якій має вентильні властивості, металу (наприклад, ТЮг) Цей процес реалізують шляхом багаторазового занурення давача в розчин, який містить сіль жароміцного, який має вентильні властивості, металу (наприклад, сіль титана), і наступного термораспаду шару цієї солі в режимі пропущення електричного струму по металевому каркасу давача Сформований захисний шар активної маси чутливого елемента із оксиду жароміцного (вентильного) металу декілька знижує величину активного сигналу, однак при цьому підвищується стабільність і повторюваність за абсолютним значенням в однотипній (по сполуці газової суміші) серії вимірів Спосіб, що пропонується, може бути реалізований з допомогою відомих приладів Як дозатор для формування краплі може використовуватися графітова, капілярного типу з діаметром капіляру 0,8 - 1,0мм, бюретка - дозатор, з контейнером розширювачем (на 3 - 5см 3 розчина) та відсмоктувачем грушевидного типу Як блок живлення для формування активної маси ЧЕ и подальшої термічної обробки активної маси ЧЕ давача може бути використаний блок живлення, наприклад типу УІП-2, УІП-3 Для виготовлення нагрівального елементу заданої форми (спіралі) може використовуватися верстат, наприклад, типу КМЗ 289 Для управління процесом виготовлення ЧЕ да вача, може бути використана IBM сумісна персональна ЕОМ, наприклад з процесором Intel P-166 mmx Спосіб може бути реалізований, наприклад, наступним чином 3 матеріалу (металу) з високим електричним опіром, на верстаті, наприклад, типу КМЗ 289, виготовляють нагрівальний елемент, (наприклад у вигляді спіралі) Далі, нагрівальний елемент закріплюють між двома контактами у штативі, які забезпечують електричні контакти спіралі - нагрівального елементу з блоком живлення, наприклад типу УІП-3 Для забезпечення контролю напруги і струму, який протікає через давач при його обробці, використовують мікроамперметр типу В-203М, магазин резисторів, наприклад, типу Р-33, та електронний високоомний вольтметр, наприклад типу В-2-20 Над нагрівальним елементом розташовують торець бюретки-дозатора, підключений до ПЕОМ, яка ВІДПОВІДНО ДО часової циклограми процесу формує керуючі імпульси, що надходять, через стандартний порт ПЕОМ, до дозатору, який формує краплю необхідного розміру із розчину-суміші, яка с розчином солей олова, Індія заданої концентрації і високодисперсної фази оксиду алюмінію - (АЬОз), якої приблизно 20% об'єму Після фази програмованого електролізу збіднену з складових інгредієнтів краплю втягують знову у дозатор і перемішують розчин у контейнері - розширювачі бюретки-дозатора, після чого знову формують робочу краплю, проводять наступний цикл електролізу та електрофорезу, операції повторюють декілька разів до повного формування чутливого шару, наприклад, 6 - 7 разів (до повного закриття поверхні нагрівального елементу осадженими частками Sn, In та АЬОз) Далі, шляхом пропущення електричного струму через нагрівальний елемент розігрівають його до необхідної, спочатку до 100 - 150°С (сушіння), потім до 500 600°С (відпал), для забезпечення окислення металів (олова та ІНДІЮ) ДО ВІДПОВІДНИХ ОКСИДІВ (БигОз, ІП2О3) на усю товщиу активної маси ЧЕ давача Формування захисного шару, наприклад із ТЮг, на поверхні активної маси давача здійснюється шляхом багаторазового занурення давача у розчин солі титану (яку отримують методом анодного розчинення титану в розчині НгО + Н2О2), і наступного нагріву плівки з розчину на поверхні давача до температур, послідовно, 150 - 200°С і 600 - 700°С шляхом пропускання електричного струму через каркас спіралі давача Такі дії повторюють декілька, разів (здебільшого 3 - 1 5 ) Пропонована технологія виготовлення давача, при проведенні випробувань лабораторного макету давача підтвердила його високу працездатність При цьому імовірність виявлення газів у реальному масштабі часу при їх гранично малих концентраціях склала біля 0,98 При багаторазовому циклюванню у робочому діапазоні температур 25 800°С, на газовій суміші постійного складу повторюємість результатів вимірів надзвичайно висока, розбіг результатів серії складає не більше 1 1,5% Час відновлення характеристик давача для проведення чергового циклу вимірів не перевищує одиниць секунд Таким чином, спосіб, що пропонується в порі 47767 внянні з прототипом, за рахунок виготовлення за пропонованої технології давача дозволяє вирішити задачу підвищення імовірності виявлення газів та пар органічних сполук при їх гранично малих концентраціях, зниження відносних помилок виміру і зниження інерційності, та високу стабільність та повторюємість результатів вимірів Джерела інформації 1 СССР, авторское свидетельство № 8 1052965, кл G01 N25/32, 1983 2 Патент 3999947 США, МКИ G01 N27/00 Датчик восстановительного газа и устройство для его существования 3 Ирха В А Полупроводниковые газовые сенсоры обзор по полупроводниковой электронике по данным отечественной и зарубежной печати за 1965 - 1996 г / Укр Гос Акд связи им Попова Одесса, 1996 91 с ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71