Тонкоплівковий резистивний сенсор етанолу

Тонкоплівковий резистивний сенсор етанолу, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку із двома електродами, систему подачі газу і вимірювальну схему, який відрізняється тим, що як чутливий напівпровідниковий шар використовують плівку фталоціанінового комплексу кобальт хлориду або барвника метилового червоного. (19) (21) u201101701 (22) 14.02.2011 (24) 12.09.2011 (46) 12.09.2011, Бюл.№ 17, 2011 р. (72) ЦІЖ БОГДАН РОМАНОВИЧ, АКСІМЕНТЬЄВА ОЛЕНА ІГОРІВНА, ЧОХАНЬ МАРІЯ ІВАНІВНА (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЇ МЕДИЦИНИ ТА БІОТЕХНОЛОГІЙ ІМЕНІ С.З. ГЖИЦЬКОГО, ЛЬВІВСЬКИЙ 3 ZnO:Al, отриманої на кварці, при часі відгуку - 5 сек., відновлення - 2 хв. Заявлений сенсор і прототип мають суттєві спільні ознаки (сенсорна плівка, скляна підкладка, омічні контакти, система подачі газу та вимірювальна схема). Недоліками відомого сенсора етанолу є енерговитратна технологія виготовлення сенсорної плівки із застосуванням високих температур (9501150 °С), складна конструкція сенсора, яка включає обов'язковий нагрівний елемент для підтримки робочої температури на рівні 200 °С, і невисока чутливість до малих концентрацій етанолу (зміна опору не перевищує 80 разів). Заявлений сенсор усуває недоліки прототипу і забезпечує зниження енерговитрат при отриманні сенсорної плівки, спрощення конструкції сенсора та підвищення чутливості шляхом удосконалення технології виготовлення сенсорного шару із застосуванням нових індикаторних речовин, що забезпечує зниження температури осадження чутливого шару, спрощення конструкції сенсора за рахунок виключення нагрівного елемента та зниження робочих температур при значному підвищенні чутливості сенсора. Технічний результат досягають тим, що у тонкоплівковому сенсорі етанолу, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку з двома електродами, систему подачі газу та вимірювальну схему, як чутливий напівпровідниковий шар використовують плівку фталоціанінового комплексу кобальт хлориду або барвника метилового червоного. Технічний результат заявленого сенсору обумовлений тим, що автори корисної моделі вперше використали для створення чутливого елемента сенсора етанолу тонкі плівки фталоціанінового комплексу кобальт хлориду та органічного барвника метилового червоного, що дало змогу проводити індикацію малих тисків етанолу. Тонкі плівки фталоціанінового комплексу кобальт хлориду та органічного барвника метилового червоного забезпечують індикацію малих тисків етанолу завдяки новим властивостям згаданих препаратів (зміна опору під дією парів етанолу), виявлених авторами корисної моделі. Фталоціаніновий комплекс кобальт хлориду належить до класу молекулярних кристалів - органічних напівпровідників. Молекула фталоціаніну є планарною і містить систему спряжених зв'язків. Молекули фталоціанінів утворюють внутрішні комплекси з металами. Фталоціаніни металів відомі як найбільш стабільні комплекси з глибоким синім забарвленням. Ця група сполук синтезується при нагріванні о-ціанобензаміду або фталонітрилу з металами та їх солями, існує у вигляді пігментів. Виробляються (в тому числі на Україні, м. ІваноФранківск, "Барва") для технічних застосувань завдяки яскравому кольору, хімічній стабільності і світлостійкості. Метиловий червоний - органічний барвник, який використовується як індикатор. Забарвлення двоколірного індикатора залежить від співвідношення в розчині концентрацій недисоційованих молекул та іонів. Зміна кольору метил червоного 62700 4 спостерігається в межах рН=3,1-4,4. При рН=3,1 забарвлення індикатора - червоне, при рН3,7 спостерігається змішане забарвлення, але домінує червоний відтінок, при рН>3,7 - переважає жовтий відтінок, при рН=4,4 - яскраво-жовтий. Наявність спряження електронів у молекулі метилового червоного зумовлює його напівпровідникові властивості, а саме - фоточутливість, наявність носіїв заряду р-типу, для нього характерна зміна питомого опору з температурою. Перелік фігур. Заявлений сенсор проілюстрований двома фігурами: Фіг. 1-2. Переріз фіг. 1 та вигляд зверху фіг. 2 чутливого елемента резистивного сенсора, де 1 - сенсорна плівка метилового червоного або фталоціаніну кобальт хлориду; 2 - електропровідний шар нікелю; 3 - скляна підкладка; 4 - струмопровідні контакти. Фіг. 3. Зміна логарифму чутливості плівок метилового червоного (1) та фталоціаніну кобальт хлориду (2) від парціального тиску парів етанолу при температурі 293 К. На фіг. 1-2 наведено схематичне зображення чутливого елементапропонованого сенсора. Чутливий елемент складається з тонкої напівпровідникової плівки фталоціанінового комплексу кобальт хлориду або органічного барвника метилового червоного (1), електропровідного шару Ni (2), скляної підкладки (3), та струмопровідних контактів (4). Тонкі плівки органічних напівпровідників - метилового червоного і фталоціанінового комплексу хлориду кобальту отримують методом термоваку-3 умного напилення при тиску (3-7) 10 Па, за температур для (Met) 100-140 °С, для (СоСlРс) 110130 °С при швидкості напилення 0,5...1,0 нм/с. Контроль швидкості напилення і товщини плівок здійснюють іонізаційним датчиком КСТ-1, який градуюють за результатами вимірювання товщини плівки на мікроскопі МИИ-4. Плівки отримують на скляних підкладках з шаром Ni, нанесеним за пев2 ним шаблоном. Площа плівки становить 1 см . Дослідження сенсорних властивостей плівок органічних напівпровідників проводять з використанням герметичної камери, з'єднаної з водяним манометром та вентилем для подачі індикаторного газу, куди поміщався зразок з металічними контактами. Зміну опору фіксували після досягнення стаціонарного значення (через 60-120 с). Вимірювання опору проводили за чотиризондовим методом з використанням термометра Е6-13А з діапа4 14 зоном опорів 10 до 10 Ом при температурах від 5 до 40 °С. На фіг. 3 наведено приклад залежності чутливості сенсора як логарифму відношення опорів в атмосфері повітря і за наявності етанолу (Ro/Rs) від тиску парів етанолу. При поміщенні сенсора в газове середовище на його поверхні адсорбуються частинки С2Н5ОН. Знайдено, що під дією малих парціальних тисків етанолу (Рсп) від 0,1 до 300 Па спостерігається суттєве зменшення опору досліджуваних плівок 4 5 (Фіг. 3), а саме - у 10 -10 разів. При цьому сенсор реагує на малі концентрації етанолу, поріг чутли 5 62700 вості становить 20 Па. Відновлення властивостей сенсора відбувається протягом 1,5-2,0 хвилин витримки у вакуумі або на 15-20 хв. витримки на по 6 вітрі. При цьому опір плівки відновлюється до початкового і сенсор придатний до повторного ристання. Таблиця Порівняльні властивості сенсорів етанолу Властивості Чутливий шар Температура напилення °С Час відпалу, год. Залишковий тиск, Па Робочі температури, °С Чутливість, S=Ro/Rs Поріг чутливості, Па Час відгуку, сек. Час відновлення, хв. Прототип [ВЕЖПТ, 2008. Пропонований сенсор - № 6/4(30). - с. 49-51] Технологічні аспекти виготовлення Фталоціанін кобальт ZnO:Al Метиловий червоний хлорид 800-930 100- 130 110-140 1 год. без відпалу без відпалу -4 -3 -3 до 10 Па (3-7)10 Пa (3-7) 10 Па Робочі параметри сенсорів 200-300 5-35 10-40 80 10000 10000 100 20 20 5-7 5-7 7 2 2 1,5-2,0 Як можна бачити з даних, наведених у таблиці, пропонована корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - удосконалення технології виготовлення за рахунок зниження температури термовакуумного осадження чутливого шару і оптимізацію конструкції за рахунок виключення нагрівного елемента при значному підвищенні чутливості сенсора. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 62700 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601