Вакуумметр

Реферат: Вакуумметр містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку з двома електродами. Як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO з р - типом провідності. UA 84649 U (54) ВАКУУММЕТР UA 84649 U UA 84649 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі приладобудування, вимірювальної техніки, а саме до вакуумної техніки, і може використовуватись в електроніці при вимірюванні рівня вакууму. Відомий вакуумметр - електричний манометр, що функціонує за принципом залежності одного з електричних параметрів чутливого елемента первинного перетворювача від тиску. Приклад електричного манометра - це тензоперетворювач, який складається з дротинки або фольги, закріпленої між електроізольованими опорами або фіксується на поверхні пружного елемента. В основу роботи тензоперетворювача закладено принцип відносної зміни електричного опору провідника під дією прикладеного до нього деформуючого зусилля [Мулев Ю. В. Манометры / Ю. В Мулев. - М.: МЭИ, 2003.-280 с.]. Недоліки: громіздкість та нестабільність показів. Відомий ємнісний перетворювач, який містить діафрагму, що розтягується або затиснену мембрану, опори та електрод, що не деформується. Робота ємнісного перетворювача базується на залежності електричної ємності конденсатора, при постійній площі електродів, від відстані між ними і електрофізичних властивостей середовища, яке знаходиться в просторі між електродами [Мулев Ю. В. Манометры / Ю. В Мулев. - М.: МЭИ, 2003.-280 с.]. Недоліки: підвищені вимоги до електричної ізоляції, необхідність екранування з'єднувальних ліній, вплив на результати вимірювання крайових ефектів перетворювача. Відомий п'єзоелектричний перетворювач, що складається з чутливого елемента з набору п'єзопластин або п'єзоциліндра, металічного корпусу, мембрани, діелектричної прокладки. Робота п'єзоелектричного перетворювача ґрунтується на виникненні електричного заряду при прикладанні деформуючих сил [Мулев Ю. В. Манометры / Ю. В Мулев. - М.: МЭИ, 2003.-280 с]. П'єзоелектричні перетворювачі можуть функціонувати на наступних деформаційних ефектах: розтяг-стиск по довжині чи товщині, зсув по поверхні, вигин, об'ємний вплив. Недоліки: складність конструкції. Найбільш близьким за технічним рішенням до пропонованої корисної моделі-прототипом є вакуумметр на основі ZnO плівки [Zheng X. J. А Vacuum Pressure Sensor Based on ZnO Nanobelt Film / X. J. Zheng, X. С. Сао, J. Sun, B. Yuan, Q. H. Li, Z. Zhu, Y. Zhang // Nanotechnology.-2011. V. 22. -P. 435501]. Пристрій складається з кремнієвої підкладки з діелектричним шаром кварцу товщиною 200 нм, на якому розміщують платинові планарні тонкоплівкові контактні майданчики із зустрічно-гребінчастою топологією, та чутливий сенсорний елемент - плівку оксиду цинку, 2 нанесену на контактні майданчики. Підкладка для цього вакуумметра розміром 2 мм . Відстань між планарними платиновими електродами складає 45 мкм, їхня товщина 55 мкм. Робота даного вакуумметра ґрунтується на здатності оксидних напівпровідникових матеріалів у присутності газу змінювати свої електричні характеристики (провідність, ємність тощо). В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити вакуумметр шляхом використання для чутливого шару наноструктур ZnO з р - типом провідності, які забезпечують зростання величини робочої площі поверхні вакуумметра, що дасть змогу знизити витрати при виготовленні вакуумметра і підвищити його чутливість. Поставлена задача вирішується тим, що у вакуумметрі, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку з двома електродами, як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO з p - типом провідності. Заявлений вакуумметр і прототип мають суттєві спільні ознаки: чутливий елемент з ZnO, планарні тонкоплівкові контактні майданчики із зустрічно-гребінчастою топологією. Технічний результат заявленого сенсора обумовлений тим, що автори вперше використали для створення чутливого елемента вакуумметра наноструктури ZnO з р-типом провідності [Патент на корисну модель № 78485 Україна, МПК C01G 9/00. Спосіб отримання наноструктурованого матеріалу ZnO з р-типом провідності. Г.О. Лубочкова, Б.І. Турко, О.П. Крегель, В.Б. Капустяник, І. Кітик, М. Пясецкі. - № u201208985 Заявл. 20.07.2012; Опубл. 25.03.2013, Бюл. № 6], що дало змогу підвищити чутливість вакуумметра. Під час хемосорбції молекул газів - акцепторів електронів - кисень, озон, хлор, йод, бром тощо - на поверхні оксидного напівпровідника з n - типом провідності - ZnO, CdO, SnO2, Nb2O5, адсорбовані молекули і атоми газів локалізують електрони провідності поблизу поверхні напівпровідника, що у свою чергу, призводить до зменшення кількості електронів провідності в напівпровіднику і, як наслідок, до зменшення його провідності. Згідно з літературними даними [Sensors Based on Nanostructured Materials / ed. by F.J. Arregui. - New York: Springer, 2009.-326 p], хемосорбція і десорбція кисню має надзвичайно великий вплив на провідність чутливих нанорозмірних матеріалів. У повітрі концентрація молекул кисню О2, які адсорбуються на поверхні оксидних напівпровідникових наноструктур з n - типом провідності є високою. Вони захоплюють ¯ електрони із зони провідності та стають негативно зарядженими іонами кисню О 2. У результаті 1 UA 84649 U ¯ 5 10 15 20 25 30 35 40 виникає електричне поле поблизу поверхні наноструктур. Індуковане іонами О 2 електричне поле зменшує кількість вільних електронів, формуючи приповерхневий збіднений шар. У випадку відкачки повітря поблизу поверхні наноструктур з n - типом провідності існуватиме градієнт концентрації кисню. Концентрація хемосорбованого кисню на поверхні наноструктур з n - типом провідності буде більшою, ніж у відкачуваному середовищі, тому молекули кисню будуть десорбуватися з поверхні наноструктур і дефундуватимуть у відкачуване середовище. У ¯ цьому випадку захоплені електрони вивільнятимуться з негативно заряджених іонів кисню О 2 і повертатимуться у зону провідності, збільшуючи густину вільних носіїв заряду. Зі зменшенням тиску у відкачуваній системі, все більше і більше молекул кисню О 2 десорбуватиметься з поверхні наноструктур з n- типом провідності, зменшуючи товщину збідненого приповерхневого шару. Внаслідок цього, опір чутливого елемента виготовленого з наноструктур оксидів металів з n-типом провідності буде малим, а провідність, відповідно, зросте. Натомість, у випадку використання напівпровідникового матеріалу з р-типом провідності ситуація буде протилежною. При відкачуванні повітря вивільнені внаслідок десорбції кисню електрони рекомбінуватимуть з дірками, зменшуючи густину вільних носіїв заряду. Це і є поясненням механізму чутливості вакуумметра на основі наноструктур ZnO з p-типом провідності до величини тиску навколишнього кисневмісного газового середовища. Суть корисної моделі пояснює креслення. Фіг. 1. Мікрофотографія поверхні чутливого елемента сенсора на основі наноструктур оксиду цинку. Фіг. 2. Схематичне зображення вакуумметра, де 1-сіталова підкладка, 2 - срібні контактні майданчики, 3 - чутливий елемент з наноструктур оксиду цинку. Фіг. 3. Залежність сили стуму, що протікає через наноструктури ZnO з р-типом електропровідності у вакуумметрі від тиску. - експериментальні дані. Вакуумметр складається із сіталової підкладки, з нанесеними на неї за допомогою установки ВУП-5М термічним випаровуванням у вакуумі, планарними тонкоплівковими срібними контактними майданчиками із зустрічно-гребінчастою топологією, та чутливого елемента з наноструктур ZnO з р-типом провідності, отриманих електроосадженням з водного розчину в електрохімічній комірці з двома електродами. Осадження наноструктур здійснюють з водного еквімолярного розчину Zn(NO3)2·6H2O та гексаміну C6H12N4 з концентрацією обох реагентів у межах 10-30 мМ з рН розчину близько 7. На робочий електрод-підкладку подають напругу -0,9 В. Срібні контактні майданчики наносять за певними шаблонами. Вакуумметр поміщають у систему, з якої відкачуватиметься повітря. Вимірюють один з електричних параметрів, або опір, або ємність чутливого елемента вакуумметра, або струм, який протікає через чутливий елемент вакуумметра. У випадку покращення вакууму у системі при зменшенні тиску: опір шару з наностуктур оксиду цинку з р-типом провідності зростатиме, його ємність зменшуватиметься, струм, який протікатиме через шар з наностуктур оксиду цинку з р-типом провідності, зменшуватиметься. У випадку погіршення вакууму у системі при зростанні тиску: опір шару з наностуктур оксиду цинку з p-типом провідності зменшуватиметься, його ємність зростатиме, струм, який протікатиме через шар з наностуктур оксиду цинку p-типом провідності, зростатиме. Для вимірювання рівня тиску вакуумметр попередньо калібрують, наприклад по зразковому вакуумметру ГОСТ 6521-60 чи манометру ПМТ-6-3. 45 Таблиця 5 Порівняльні властивості вакуумметрів на основі оксиду цинку у діапазоні тисків від 10 Па до 100 Па Властивості Прототип Пропонований вакуумметр Тип чутливого шару плівка з n-типом провідності наноструктури з р-типом провідності Матеріал контактів платина срібло Чутливість при зміні тиску 0,008 18 на один порядок Попереднє калібрування так так Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - зниження витрат при отриманні чутливого елемента вакуумметра та підвищення чутливості із застосуванням 2 UA 84649 U наноструктур ZnO з р-типои провідності, що забезпечує зростання величини робочої площі поверхні чутливого елемента вакуумметра. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Вакуумметр, що містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку з двома електродами, який відрізняється тим, що як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO з р-типом провідності. 3 UA 84649 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 4