ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к чувствительным элементам состава газов.

Предлагаемый чувствительный элемент предназначен для определения концентрации газов и газообразных сложных веществ в воздухе и в среде инертных газов, как при непосредственном контакте с газообразным веществом, так и при удаленности элемента от анализируемого газа.

Известен датчик концентрации аммиака, газочувствительный слой которого выполнен из полианилина [1].

К недостаткам такого датчика относятся необходимость его подогрева, что ведет к увеличению потребляемой мощности.

Известен датчик концентрации аммиака [2]. Конструктивно датчик представляет собой диэлектрическую подложку (ситалл, сапфир, окисленный кремний) с нанесенными на нее взаимопроникающими гребенчатыми электродами. В качестве материалов электродов используются золото и платина. На гребенчатые электроды наносится из раствора соответствующего мономера методом электрополимеризации пленка полианилина, которая легируется никельсодержащими анионами. Работа такого датчика основана на изменении проводимости пленки полианилина при контакте с аммиаком.

Недостатком такого датчика является повышенная чувствительность к влаге и температуре, что приводит к изменению электрофизических параметров, которые, в свою очередь, влияют на величину тех же параметров при взаимодействии с исследуемым газом. Кроме того, органические полимеры имеют свойство стареть со временем, а нежесткость квазиодномерной решетки приводит к локализации инжектированного как при окислении, так и при восстановлении заряда в области вызванного им искажения геометрии решетки, и из-за этого происходит изменение электрофизических параметров.

Известен сенсор для анализа газообразных веществ [3]. Конструктивно сенсор выполнен так же, как и датчик концентрации аммиака [2], только дополнен третьим электродом, а главным отличием является то, что вместо пленки модифицированного полианилина используется пленка из смеси двух проводящих полимеров полисиланоанилина и полианилина.

Недостатком такого сенсора является короткий срок службы (в среднем 1 год) из-за хрупкости чувствительной пленки, которая со временем трескается и отслаивается от подложки. Кроме того, пленка, состоящая из смеси полианилина и полисиланоанилина, не стойка к парам фтороводорода, что ограничивает использование данного сенсора в ряде отраслей химической промышленности, где используются фтор и плавиковая кислота.

Наиболее близким по технической сущности и близким к изобретению является газовый сенсор для обнаружения химически вредных веществ [4]. Сенсор представляет собой, как и аналоги [3] и [2], диэлектрическую подложку с взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые наносится чувствительное покрытие, представляющее собой пленку из смеси двух проводящих полимеров - полистануманилина и полианилина в соотношении 10:3.

Недостатком такого сенсора и общим недостатком всех вышеперечисленных аналогов [1], [2], [3], [4] является невозможность использования их для дистанционной идентификации и измерения концентрации газов и паров.

Техническая задача заключается в изготовлении чувствительного покрытия, способного изменять свои электрофизические свойства не только при непосредственном контакте с анализируемым компонентом, но и определять газообразный компонент на расстоянии, то есть без непосредственного контакта анализируемой газовой среды с чувствительным элементом.

Технический результат достигается за счет изготовления чувствительного покрытия, которое меняет свои электрофизические свойства не только при воздействии на него непосредственно газообразных компонентов анализируемых газообразных веществ, но и при воздействии инфракрасных лучей определенных длин волн с диапазонами, характерными для каждого конкретного вещества. Селективность чувствительного элемента для дистанционного анализа газообразных веществ определяется регулируемой силой тока, в чувствительном слое.

Чувствительный элемент изготавливают следующим образом.

Подложка с нанесенной на нее гребенчатой структурой опускается в раствор, состоящий из 1-молярного раствора соляной кислоты и смеси мономеров анилина, силаноанилина и стануманелина. В гальванической ванне в режиме потенциостатичекого циклирования при потенциалах от 5,5 до 7 В и от -2 до -3,5 В на рабочем электроде, который представляет из себя ситалловую подложку с нанесенными на нее взаимопроникающими проводящими гребенчатыми электродами, синтезируется полимерная смесь. Получаемая смесь осаждается в виде тонкой проводящей пленки на гребенчатой структуре. Пленка полианилина, которая образуется одновременно при электрополимеризации, наряду с полисиланоанилином и полистануманилином, из-за высокого анодного потенциала частично растворяется, и таким образом на рабочем электроде образуется пленка из смеси трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 7:4:2. Режим нанесения пленки выбирается таким образом, чтобы достичь оптимального содержания полимеров в вышеприведенном соотношении. Этим достигается стабильность и чувствительность чувствительной пленки. Получаемый таким методом чувствительный элемент изменяет свои электрофизические параметры на активные газы при непосредственном контакте с ними. В частности, меняется электрическое сопротивление чувствительного слоя. Для того чтобы покрытие чувствительного элемента селективно изменяло свои электрофизические параметры при воздействии на элемент инфракрасным излучением определенной длины волны, через электроды чувствительного элемента пропускают постоянный электрический ток, сила которого составляет от 200 до 1000 мкА. Ток стабилизируют. Каждому такому интервалу соответствует свой диапазон длины волны, но при этом чувствительность при непосредственном контакте с анализируемым веществом не ухудшается.

Разработаны методы получения и изготовлены чувствительные элементы на следующие вещества: аммиак, хлор, бром, пары соляной кислоты, сероводород, диоксид серы, пары уксусной кислоты и пары воды.

Пример 1. Определение измерения концентрации хлора при непосредственном контакте чувствительного слоя с газом.

На ситалловую подложку, на поверхность которой нанесены металлические гребенчатые электроды с толщиной 0,2 мкм, методом электрополимеризации нанесли чувствительный слой, состоящий из смеси трех проводящих полимеров полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 7:4: 2.

Расстояние между соседними пальцами электродов и ширина самих электродов составила 60 мкм. В результате электрическое сопротивление получившегося чувствительного элемента на чистом воздухе составило 20 кОм. Измерение сопротивления чувствительного элемента осуществлялось путем пропускания через чувствительный слой стабилизированного постоянного тока и равно 15 мкА. Сопротивление пересчитывалось по изменению задаваемого напряжения, с помощью которого поддерживалась сила тока, проходящая через чувствительный элемент. Чувствительный элемент подключили к устройству для измерения электрического сопротивления и поместили в газовую ячейку. Затем на него подали газообразный хлор с концентрацией 5 мг/м³ и выдержали эту концентрацию в течение 5 минут. При этом сопротивление чувствительного элемента увеличилось в три раза и стало 60 кОм. После установления показаний концентрацию хлора увеличили до 100 мг/м³ и также выдержали в ней чувствительный элемент в течение 5 минут. При этом сопротивление чувствительного элемента увеличилось до 700 кОм. После чего ячейка с чувствительным элементом была продута чистым воздухом в течение 15 минут. Сопротивление чувствительного элемента вернулось к исходному значению и опять составило 20 кОм. Из этого примера следует, что чувствительный элемент показал свою работоспособность при обнаружении и определении концентрации газа непосредственно при контакте чувствительного покрытия с анализируемым компонентом.

Пример 2. Дистанционное определение относительной влажности воздуха.

Собрали измерительное устройство, как показано на чертеже. Для эксперимента был взят чувствительный элемент, который по конструкции и химическому составу полимерного покрытия был аналогичен чувствительному элементу, описанному в примере 1. В качестве источника излучения взят лазер (1) с длиной волны генерируемого когерентного излучения 1,385 мкм. Чувствительный элемент (2) расположили на расстоянии 5 м напротив лазера. Чувствительный элемент запитали источником постоянного стабилизированного тока (3) I=450 мкА. С помощью измерительного устройства (4) регистрировали электрическое сопротивление чувствительного покрытия. Сначала между включенным лазером и чувствительным элементом поместили колбу из тонкого стекла, относительная влажность внутри которого была такая же, как и окружающей среды, и составляла 65%. При этом сопротивление электрического элемента составило 120 кОм. Далее в колбе уменьшили влажность до 30%. При этом сопротивление чувствительного элемента также уменьшилось до 75 кОм. Далее содержание влаги повысили до 98%. Электрическое сопротивление чувствительного слоя составило 455 кОм.

Молекулы воды поглощают ИК-излучение в области диапазона длины волн 0,8-4 мкм. Спектр воды содержит в этом диапазоне ряд интенсивных полос, соответствующих длинам волн 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 3,6 мкм. Таким образом, выбранный нами лазер с длиной волны 1,385 мкм совпадает с одной точкой пика в спектре, а выбранная сила постоянного тока, которым запитывается чувствительный элемент, поддерживала полимерное покрытие в состоянии чувствительности в этом диапазоне длины волн.

Для проверки селективности при влажности 65% непосредственно на чувствительный элемент сначала поочередно подавали концентрации аммиака 60 мг/м³, хлора 40 мг/м³, хлороводорода 15 мг/м³ и сероводорода 10 мг/м³. При этом сопротивление чувствительного элемента почти не изменялось и было равно (120±2) кОм. Аналогичный эксперимент повторили, задавая такие же концентрации вышеперечисленных газов в стеклянной колбе (5) с такой же влажностью 65%. Изменения сопротивления при этом также не наблюдалось.

Данный пример показал возможность использования чувствительного элемента для селективного и дистанционного обнаружения и измерения концентраций газообразных веществ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Европейский патент 398286 А2, МКИ G 01 N 27/12, 1990. "Ammonia sensor".

2. Патент РФ 2038590, МКИ G 01 N 27/12, 1995. "Датчик концентрации аммиака".

3. Патент РФ 2088914, МКИ G 01 N 27/30, 1997. "Сенсор для анализа газообразных веществ".

4. Патент РФ 2174677, G 01 N 27/12, 2000. "Газовый сенсор для обнаружения химически вредных веществ".