×
27.06.2014
216.012.d886

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАССИВНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КАЛОРИМЕТР

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе физико-химических методов анализа химических соединений. Заявлен дифференциальный массивный тонкопленочный калориметр для определения тепловых эффектов адсорбции или химических реакций газов, содержащий тонкопленочные каталитически активные измерительные рабочие массы и массы сравнения, размещенные на диэлектрической подложке и соединенные с источником нагревающего массы тока. В соответствии с изобретением, массы своей поверхностью прилегают к диэлектрической подложке, на противоположной стороне которой против масс закреплены пьезоэлектрические преобразователи, подсоединенные своими электродами к измерительной схеме. Источник нагревающего тока импульсный. Технический результат - увеличение чувствительности калориметра. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к технике физико-химических методов анализа химических соединений, к устройствам для измерения теплоты химических реакций, в частности к приборам для исследования поверхностных реакций.

В качестве аналога устройства взяты электрокаталитические датчики обнаружения горючих газов [Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер с франц. - М.: Мир, 1992. - 424 с.]. Они содержат в продуваемом исследуемым газом корпусе миниатюрный чувствительный элемент, часто в виде шарика или спирали из проволочки. Внутри шарика электрический подогреватель в виде спирали из платиновой проволоки, на которую последовательно нанесены слои керамики, затем кроющая оболочка из распыленного на подложку из окиси тория слоя металла - катализатора. В состав устройства входит также шарик сравнения без слоя катализатора (или проволочка сравнения). При измерениях состава газа полость корпуса с чувствительным элементом устройства и шариком сравнения продувают исследуемым горючим газом и воздухом, в горючей газо-воздушной смеси на поверхности катализатора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру датчика, что приводит к увеличению электросопротивления платиновой спирали. Изменение сопротивления является сигналом о наличии и концентрации горючего газа в атмосфере. На шарик сравнения исследуемая атмосфера не воздействует.

Недостатками устройства-аналога являются малая скорость отклика, обычно 20-30 с, требуемое большое количество определяемого газа, плохая селективность определения неизвестного химического соединения и его концентрации на фоне наличия в атмосфере других горючих газов и высокий порог концентрации обнаруживаемых газов, непригодность датчика для определения теплоты химической реакции, что и ухудшает селективность их аналитического действия.

В качестве прототипа взят дифференциальный массивный тонкопленочный калориметр, содержащий в отсеках корпуса на подложке тонкопленочные электронагреваемые каталитически активные теплоизолированные измерительные рабочую и сравнительную массы [Патент RU №2454641 С1 по заявке 2010143260/28 от 21.10.2010]. Для измерения теплового эффекта исследуемой реакции в прототипе используется изменение электросопротивления самих измерительных масс и автоматическое самодозирование количества вступающих в реакцию компонентов за счет применения эффектов адсорбции молекулярных слоев на поверхности измерительных масс.

Недостатком прототипа является малый коэффициент преобразования измеряемого теплового эффекта реакции в электрическую форму в связи с тем, что при температуре прохождения реакции теплосодержание измерительных масс намного больше выделяющейся теплоты реакции.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является устранение недостатков прототипа, в том числе, увеличение чувствительности калориметра путем использования преобразования теплового эффекта реакции в акустический импульс и измерения этого импульса.

Задача решается тем, что в дифференциальном массивном тонкопленочном калориметре для определения тепловых эффектов адсорбции или химических реакций газов, содержащем тонкопленочные каталитически активные измерительные рабочие массы и массы сравнения, размещенные на диэлектрической подложке и соединенные с источником нагревающего массы тока, в соответствии с изобретением, массы своей поверхностью прилегают к диэлектрической подложке, на противоположной стороне которой против масс закреплены пьезоэлектрические преобразователи, подсоединенные своими электродами к измерительной схеме, причем источник нагревающего тока импульсный.

Предлагается также, что длительность импульса тока нагревания измерительных масс не более той, при которой длина тепловой волны в подложке равна ее толщине.

Предлагается также, что длительность импульса тока нагревания измерительных масс меньше полупериода резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя.

Предлагается также, что нагревающий ток регулируют во время импульса по закону, обеспечивающему повышение температуры тонкопленочных масс с постоянной скоростью.

Изобретение поясняется с помощью фиг.1-4.

Фиг.1 - схема варианта конструкции массивного тонкопленочного калориметра, использующего пьезоэлектрические преобразователи, в двух проекциях а) и б).

Фиг.2 - схема конструкции одного из элементов тонкопленочного калориметра с пьезопреобразователем.

Фиг.3 - график импульса приращения температуры в тонкопленочной измерительной массе при измерениях теплоты реакции.

Фиг.4 - вариант схемы подключения пьезоэлектрических преобразователей сигналов тонкопленочных измерительных рабочей массы и массы сравнения к измерительному устройству, позволяющей сравнивать их сигналы.

На Фиг.1: 1 измерительные массы в виде напыленных на подложку 2 тонкопленочных полосок; на другой стороне подложек против измерительных масс закреплены с плотным контактом с поверхностью пьезоэлектрические преобразователи 3 с проводящими электродами 4. Контакт преобразователя с подложкой должен быть акустосогласованным, то есть обеспечивать прохождение через границу раздела между ними упругого (звукового) сигнала от измерительной массы, возникающего под действием механического импульса отдачи при прохождении на поверхности измерительной массы химической реакции, в результате которой поверхность покидают молекулы продуктов реакции. Граница раздела не должна быть в виде зазоров между диэлектрической подложкой 2 и электродом 4 преобразователя. На проекции б) показан вид на устройство сверху, видны измерительные массы 1 и их соединение с внешней схемой источника тока (или напряжения), необходимого для нагревания измерительных масс 1 в процессе измерений теплоты поверхностных реакций. Измерительные массы могут быть выполнены в виде тонкопленочных проводящих полосок, подсоединяемых концами к схеме источника тока; при включении источника по полоске проходит импульс электрического тока im и нагревает полоску. Для удобства подключения на концах полосок могут быть сформированы типичные для микроэлектронных устройств контактные площадки, не показанные на схеме.

На проекции а) показано подключение измерительной схемы к электродам пьезопреобразователя; при работе устройства между электродами возникает напряжение UП сигнала преобразователя.

На Фиг.2 с помощью схемы конструкции элемента калориметра иллюстрируется эффект теплоизоляции нагреваемой измерительной массы от подложки. Эффект проявляется только при импульсном характере нагревания измерительной массы. В момент начала нагревания измерительной массы в подложке возникает тепловая волна, распространяющаяся поперек подложки. К концу импульса нагревания прогретая в подложке область 5 (показанная на фигуре пунктиром) распространится на расстояние, характеризуемое длиной тепловой волны lT.

Это расстояние должно быть меньше толщины подложки, в противном случае при нагревании пьезоэлемента тепловой волной в нем возникнут нежелательные сигналы помехи.

Таким образом, количество тепла, запасаемого за импульс в измерительной массе, определяется собственной массой проводящей полоски и массой подложки в области, ограниченной тепловой волной; это тепло заранее известно и много меньше количества тепла, идущего на прогревание всей толщины подложки при использовании непрерывного нагревания измерительной массы, то есть импульсный режим позволяет реализовать тепловую изоляцию измерительных масс, что необходимо при измерениях теплового эффекта химических реакций по изменениям температуры измерительной массы.

Толщина h пьезоэлемента определяется по расстоянию между его электродами 4; в момент прихода упругой волны в пьезоэлемент между его электродами возникает разность потенциалов UП.

В случае использования продольного пьезоэффекта разность потенциалов, возникающая между электродами пьезоэлемента при воздействии силы, равна:

Здесь P - давление, которое продукты реакции оказывают на поверхность измерительной массы; предполагается, что возникшая под действием давления упругая волна почти без ослабления пройдет пространство между измерительной массой и пьезоэлементом; d31 - пьезомодуль, ε - диэлектрическая проницаемость пьзоэлемента (у пьезокерамики ε~1000, d31≈200·10-12 Кл/Н), ε0 - электрическая постоянная.

При импульсном действии силы необходимо, чтобы по толщине пьезоэлемента укладывалось не более половины упругой волны, возбуждаемой импульсным давлением в пьезоэлементе:

Здесь сзв - скорость звука в пьезоэлементе, tu - длительность импульса нагревания измерительной массы. Получим при скорости упругой волны сзв=3000 м/с:

при t=10 нс, h=15 мкм,

при t=10 мкс, h=15 мм.

Оценка показывает, что величина полезного сигнала на выходе пьезоэлемента оказывается на порядки величины большей, чем в случае сигнала в виде изменения сопротивления измерительной массы в прототипе. Существует также механизм дополнительного увеличения полезного сигнала в настоящем устройстве: если в пьезоэлементе созданы условия для возбуждения стоячей упругой волны, возбуждается переменный сигнал с длительностью, большей длительности импульса давления в число раз, примерно равное механической добротности пьезоэлемента, что увеличивает эффективность преобразования упругого воздействия в электрический сигнал многократно.

На Фиг.3 показан график функции изменения температуры измерительной массы, предпочтительной для работы устройства - линейный со временем рост температуры в течение импульса нагревания длительностью tu. Для получения такой формы температурного импульса необходимо специальное программирование источника тока (или напряжения), используемого для нагревания измерительной массы; варианты использования источников с постоянным напряжением или постоянным током дают нелинейный ход температурного импульса.

Необходимость в линейном росте температуры обусловлена следующим.

В соответствии с принципом действия калориметра для определения химического соединения необходимо измерять теплоту химической реакции и температуру активации реакции, то есть температуру измерительной массы, при которой реакция инициируется. В настоящем калориметре нет возможности измерять температуру измерительной массы в момент, когда возникает импульс отдачи продуктов реакции, сигнализирующий о инициации реакции, но если временной ход температуры задан программируемым источником тока, то о значении температуры просто судить по моменту возникновения полезного сигнала на выходе пьезоэлемента.

Линейность роста температуры измерительных масс позволяет также уменьшить помехи, вызванные неидентичностью измерительных масс, что в случае нелинейного роста температуры приводит к резкому увеличению мешающих сигналов, так как неидентичность вызывает различия температуры разных измерительных масс.

В ряде случаев достаточно определять только сам факт наличия дополнительных химических соединений в анализируемой атмосфере, и можно применять непрограммируемые источники тока нагревания измерительных масс.

На фиг.4 показана схема подключения элементов калориметра к измерительной схеме, позволяющая сравнивать сигналы измерительных рабочей массы и массы сравнения. Здесь показаны закрепленные на подложке в местах, противостоящих рабочей массе и массе сравнения, пьезопреобразователи П1 и П2; прилежащие к подложке электроды преобразователей соединены друг с другом и с общей точкой схемы проводящим слоем 6; регулирование потенциометров R1 и R2, подсоединенных каждый к электроду своего преобразователя, позволяет уравновесить напряжения, формируемые пьезопреобразователями, и привести их разность к нулю при отсутствии в анализируемом газе искомых примесей. Измерительные массы должны находиться в разных полостях корпуса калориметра, и только рабочая масса экспонируется в среде, содержащей примеси. Атмосфера газов содержит несколько составляющих, каждая из которых формирует сигналы на выходе пьезопреобразователей; приведенная на фигуре схема позволяет вычесть из результирующего сигнала Uc его составляющие, за которые ответственны одинаковые компоненты атмосферы в соответствующих полостях корпуса калориметра.

Для эффективного распознавания рассматриваемым калориметром газовых примесей необходимо, как и в прототипе, использование измерительных масс с покрытиями из катализаторов.

Таким образом, доказана обоснованность и целесообразность предложений по данному изобретению.

Для изготовления устройства могут быть использованы материалы: для подложки - стекло или полупроводниковые пластины; для измерительных масс и масс сравнения - тонкие пленки металлов, наносимые методами вакуумного напыления; в качестве трубочек эффективно использовать углеродные нанотрубки.

Технология изготовления может быть разработана на основе технологий микроэлектронных приборов и микромеханических устройств.

Калориметр может быть применен в научных исследованиях для измерений теплоты адсорбции газов на поверхностях твердых тел и теплоты поверхностных химических реакций. Преимуществом предложенной системы является ее многоканальность, то есть возможность одновременно измерять теплоты реакций разных газов, содержащихся в данной газовой среде, экспрессный характер измерений, миниатюрность калориметра.

Важной областью использования калориметра может быть его применение в качестве газоанализатора. Калориметр позволит за цикл измерений определить спектр энергий активации всех содержащихся в изучаемой атмосфере газов. Спектры являются индивидуальными характеристиками веществ, что позволит идентифицировать газы.

Техническим результатом изобретения может стать создание компактных и неэнергоемких многоканальных микрокалориметров, способных обеспечивать научные исследования в области поверхностных физических и химических процессов, а также разведку химических параметров окружающей среды, например, промышленных загрязнений, загрязнений атмосферы опасными веществами.


ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАССИВНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КАЛОРИМЕТР
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАССИВНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КАЛОРИМЕТР
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАССИВНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КАЛОРИМЕТР
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАССИВНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КАЛОРИМЕТР
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 39 items.
20.01.2013
№216.012.1cd0

Способ атомно-слоевого выращивания тонких пленок химических соединений на подложках

Изобретение относится к области технологий микроэлектроники, а именно к способам получения тонких пленок на подложках. В реакционную зону подают поток инертного газа-носителя с первым летучим реагентом, формируют на подложке из газовой фазы мономолекулярный слой из молекул первого летучего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002472870
Дата охранного документа: 20.01.2013
27.01.2013
№216.012.210e

Способ осуществления справочно-аналитических функций гис

Изобретение относится к геоинформационной обработке данных и может быть использовано для осуществления геопространственного анализа специалистами, профессионально не владеющими геоинформационными технологиями. Технический результат заключается в расширении сферы применения и увеличении числа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473963
Дата охранного документа: 27.01.2013
20.02.2013
№216.012.281b

Двухдиапазонный инфракрасный светосильный объектив

Объектив может быть использован в технологических установках для проверки параметров матричных приемников излучения, работающих в инфракрасном диапазоне. Объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей три компонента. Первый и третий компоненты - положительные мениски из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475787
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.03.2013
№216.012.2e90

Многолучевой интерферометр

Изобретение относится к устройствам оптических спектральных приборов, в частности к устройствам интерферометров. Многолучевой интерферометр содержит два зеркальных полупрозрачных покрытия. При этом зона формирования интерференционной картины образована преломляющей призмой, имеющей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477451
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.06.2013
№216.012.4da2

Интерференционный монохроматор

Изобретение может найти применение в системах экспресс-анализа химических веществ и различных промышленных жидкостей и газов, при исследованиях содержания вредных веществ в окружающей среде. Интерференционный монохроматор содержит мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485456
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4da3

Оптоэлектронное устройство для определения усталости твердых материалов

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения усталости твердых материалов, например металлов, пластмасс, композиционных материалов, стекла, бумаги и т.п., где усталость является ключевым параметром твердых материалов. Устройство состоит из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485457
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4dbe

Оптоэлектронный многопараметровый колориметр

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для контроля физическо-химических параметров жидких сред. Колориметр содержит помещенные в корпус задающий генератор, n диодов, n измерительных фотоприемников, оптически связанных с диодами, блок обработки фотоэлектрического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485484
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4e08

Способ получения равномерных нанозазоров между поверхностями тел

Способ может использоваться при изготовлении различных оптических, оптоэлектронных, квантовых и микромеханических устройств, в которых необходимо получать зазор равной и малой толщины между электродами или пластинами, имеющими поверхности большой площади, в частности, управляемых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485558
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4e2b

Способ построения перспективных карт местности (варианты)

Изобретение относится к области обработки и отображения пространственной информации. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет нахождения оптимального положения центра проекции (точки наблюдения) при создании перспективной карты на основе трехмерной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485593
Дата охранного документа: 20.06.2013
27.08.2013
№216.012.655b

Интерференционный многолучевой светофильтр (варианты)

Изобретение может использоваться в качестве узкополосного светофильтра и в качестве диспергирующего устройства монохроматоров и спектрофотометров. Светофильтр содержит на плоской поверхности планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, оптически изолированные от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491584
Дата охранного документа: 27.08.2013
Showing 1-10 of 50 items.
20.01.2013
№216.012.1cd0

Способ атомно-слоевого выращивания тонких пленок химических соединений на подложках

Изобретение относится к области технологий микроэлектроники, а именно к способам получения тонких пленок на подложках. В реакционную зону подают поток инертного газа-носителя с первым летучим реагентом, формируют на подложке из газовой фазы мономолекулярный слой из молекул первого летучего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002472870
Дата охранного документа: 20.01.2013
27.01.2013
№216.012.210e

Способ осуществления справочно-аналитических функций гис

Изобретение относится к геоинформационной обработке данных и может быть использовано для осуществления геопространственного анализа специалистами, профессионально не владеющими геоинформационными технологиями. Технический результат заключается в расширении сферы применения и увеличении числа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473963
Дата охранного документа: 27.01.2013
20.02.2013
№216.012.281b

Двухдиапазонный инфракрасный светосильный объектив

Объектив может быть использован в технологических установках для проверки параметров матричных приемников излучения, работающих в инфракрасном диапазоне. Объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей три компонента. Первый и третий компоненты - положительные мениски из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475787
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.03.2013
№216.012.2e90

Многолучевой интерферометр

Изобретение относится к устройствам оптических спектральных приборов, в частности к устройствам интерферометров. Многолучевой интерферометр содержит два зеркальных полупрозрачных покрытия. При этом зона формирования интерференционной картины образована преломляющей призмой, имеющей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477451
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.06.2013
№216.012.4da2

Интерференционный монохроматор

Изобретение может найти применение в системах экспресс-анализа химических веществ и различных промышленных жидкостей и газов, при исследованиях содержания вредных веществ в окружающей среде. Интерференционный монохроматор содержит мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485456
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4da3

Оптоэлектронное устройство для определения усталости твердых материалов

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения усталости твердых материалов, например металлов, пластмасс, композиционных материалов, стекла, бумаги и т.п., где усталость является ключевым параметром твердых материалов. Устройство состоит из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485457
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4dbe

Оптоэлектронный многопараметровый колориметр

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для контроля физическо-химических параметров жидких сред. Колориметр содержит помещенные в корпус задающий генератор, n диодов, n измерительных фотоприемников, оптически связанных с диодами, блок обработки фотоэлектрического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485484
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4e08

Способ получения равномерных нанозазоров между поверхностями тел

Способ может использоваться при изготовлении различных оптических, оптоэлектронных, квантовых и микромеханических устройств, в которых необходимо получать зазор равной и малой толщины между электродами или пластинами, имеющими поверхности большой площади, в частности, управляемых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485558
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4e2b

Способ построения перспективных карт местности (варианты)

Изобретение относится к области обработки и отображения пространственной информации. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет нахождения оптимального положения центра проекции (точки наблюдения) при создании перспективной карты на основе трехмерной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485593
Дата охранного документа: 20.06.2013
27.08.2013
№216.012.655b

Интерференционный многолучевой светофильтр (варианты)

Изобретение может использоваться в качестве узкополосного светофильтра и в качестве диспергирующего устройства монохроматоров и спектрофотометров. Светофильтр содержит на плоской поверхности планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, оптически изолированные от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491584
Дата охранного документа: 27.08.2013
+ добавить свой РИД