175525. lajstromszámú szabadalom • Mérőkészülék gázkoncentrázió meghatározására
3 175525 4 titán-dioxid, redukáló hatású anyagokra, pl. hidrogén, szén-monoxid, alkohol-gőzök növelik vezetőképességüket. Ezek az oxidok n-típusú félvezetők. Az oxidok másik csoportja, mint pl. nikkel-oxid, króm-trioxid, réz-oxid, oxidáló hatású gázokra, pl. oxigén, klór, kén-dioxid növelik vezetőképességüket. Ezek az oxidok p-típusú félvezetők. Találmányunk alapját az a felismerés képezi, hogy a felsorolt oxidokból különböző gázokra érzékeny, a gázok koncentrációjának meghatározására alkalmas érzékelőt készíthetünk, ha ezeknek a félvezető oxidoknak a meghatározandó gázzal történő kölcsönhatása következtében kialakuló ellenállás-változását mérjük, továbbá egyidejűleg megvalósítjuk a félvezető oxidok felületére adszorbeálódott gázok eltávolítását és biztosítjuk az érzékelő izoterm működését. A találmányunk szerinti készülék e feladatok együttes megoldását valósítja meg. A készülék lényegében érzékelő egységből és elektronikus mérő-szabályzó egységből áll. Az érzékelő egységben van elhelyezve üvegből, kerámia hordozóból, vagy más szigetelőből kiképzett érzékelő alaplemez, amelyre a gázérzékelő félvezető oxid-réteget vékony film formájában visszük fel. A gázérzékelő rétegnek vékony film formájában történő kialakítása igen lényeges, mivel ezáltal lehet biztosítani, hogy az oxid-réteg csak a felületén és ne vastag rétegben fejtse ki érzékelő hatását. Vékony réteg alkalmazása esetén gyors működés érhető el. Ezáltal a gázérzékelő „felfutása” illetve „lecsengése” gyors. További, az ismert gázérzékelőkkel szemben mutatkozó előny az is, hogy a tömény gázok észlelése utáni feléledési idő kicsi, mivel a réteg igen vékony és belső üregeket nem tartalmaz, így a feléledési időt nem az adszorbeált gázok kifelő irányuló diffúziója, hanem ezeknek a felületről történő deszorpciója határozza meg. Az érzékelő alaplemezen fém-oxidból vékony film formájában kiképzett gázérzékelő ellenállás réteg van kialakítva. A gázérzékelő ellenállás réteg két végén króm-arany fémből kontaktus van kiképezve. A kontaktusokhoz csatlakoznak az ellenállásmérő elektronikus egységhez vezető elektromos vezetékek. A gázérzékelő réteg érzékeny az oxidáló- vagy redukáló hatású gázokra és vezetőképességének megváltozása az ellenállásmérő elektronikus egységgel egyszerűen és jól meghatározható. A vezetőképesség megváltozása magasabb hőmérsékleten gyorsabban játszódik le. A magasabb hőmérséklet ugyanakkor megnöveli a felületre adszorbeálódott részecskék deszorpció-sebességét is. A gázérzékelő oxíd-réteg vezetőképességének megváltozásához, továbbá az oxid-felületen adszorbeálódott részecskék deszorpciójához szükséges idő még jobban megnő, ha a mérendő gáz koncentrációja, jelentősen lecsökken. Célszerű tehát az ellenállás-változás és a deszorpció sebességének meggyorsítása, amelyet úgy tudunk megvalósítani, hogy az érzékelő oxid-réteget néhány 100 °C-ra melegítjük. A mérési idő kívánt értékűre csökkenthető, ha a gázérzékelő réteget használat közben kb. 200-300 “C-ra melegítjük fel. Az érzékelő egység felmelegítését úgy valósítjuk meg, hogy az alaplemezen vagy azzal érintkezésben fémből kialakított fűtőréteget is elhelyezünk. A fütőréteg szalag alakú, két végén kontaktusok vannak elhelyezve, amelyek elektronikus hőmérséklet szabályozó áramkörrel vannak kapcsolatban. Ugyancsak az érzékelő alaplemezen vagy azzal érintkezésben van elhelyezve egy másik szalag alakú fémréteg is, amely hőmérséklet érzékelőként nyer alkalmazást. Ennek a hőmérséklet érzékelő rétegnek a két végén ugyancsak kontaktusok vannak elhelyezve, amelyek szintén az elektronikus hőmérséklet szabályozó áramkörhöz kapcsolódnak. Az elektronikus hőmérséklet szabályozó áramkör működteti a fűtőréteggel kapcsolatban levő fűtő-teljesítmény erősítőt. Az érzékelő egységet az alábbiak szerint építjük fel: Az üveg vagy kerámia hordozóra, az érzékelő alaplemezre vékony rétegben, pl. 0,1—1 p krómnikkel, esetleg platina, vanádium, vagy króm fűtő - réteget viszünk fel. Az ezen átfolyó árammal az érzékelő egység 0—500 °C-ig felmelegíthető. Ez a réteg szolgál tehát az érzékelő felfűtésére. Hasonlóan alakítjuk ki a hőmérséklet érzékelő réteget is, az izolált fémrétegekre szilicium-dioxid szigetelő réteget választunk 0,2—2 pm vastagságban. Ez az oxid-réteg elektromosan elszigeteli az alatta levő fűtő- és hőmérséklet érzékelő réteget, valamint a felette elhelyezkedő félvezető, pl. vas-oxid, titán-dioxid, ón-dioxid réteget, amelyet a következő lépésben választunk le a szilicium-dioxid szigetelő rétegre. A félvezető gázérzékelő rétegből adott esetben fotoreziszt vagy más művelettel alakítjuk ki a megfelelő alakú ellenállást, majd elkészítjük hozzá a kontaktusokat. A készülék elektronikus egységének felépítése és működése a következő: A hőmérséklet érzékelő réteg kontaktusaihoz áramgenerátor kapcsolódik, ezen réteg ellenállásán eső, azzal arányos feszültséget komparátor figyeli, amelyik fűtő-teljesítmény erősítőt működtet, a fűtő-teljesítmény erősítő kimenő árama átfolyik a fűtőrétegen és ezáltal fűti az érzékelő alaplemezt és a hőmérséklet érzékelő réteget is. Mikor ez utóbbi ellenállása a hőmérséklet változása következtében egy meghatározott értéket elért, a komparátor kikapcsolja a fűtőáramot; majd kis méretű lehűlés után ismét visszakapcsolja; ezáltal az érzékelő egység hőmérséklet szabályozását biztosítja. A gázérzékelő réteg kontaktusai ellenállás mérő hidkapcsoláshoz vannak kötve, melynek feszültségét megfelelő erősítés után feszültségmérő műszer méri, amelyik skálája a mérendő gáz koncentrációjára van hitelesítve, és/vagy a kimenő feszültség teljesítmény erősítőn keresztül a koncentrációval arányos feszültség adott szintjénél egy jelfogót működtet, mellyel adott gázkoncentráció értéknél riasztás valósítható meg. A készülék úgy is kialakítható, hogy érzékelő egységét be- és kimeneti nyílással ellátott mérőtérbe helyezzük el. A bemeneti nyílást gázelnyelető egységgel, a kimenetit szivó-egység szívó ágával kötjük össze. A gázelnyelető egységben olyan szilárd vagy cseppfolyós anyagot helyezünk el, amely a gázminta adott komponensét adszorbeálja, vagy elnyeli. Ilyen elrendezés esetében a mérendő gáz adott komponensének szelektív meghatározása is megvalósítható. A készülék egy másik kiviteli alakja olyan, hogy az érzékelő mérőterének adott falrészletét adszorbeáló szűrő vagy kémiai reakcióra lépő réteggel, illetve gázáteresztő membránnal helyettesítjük, miáltal a gázmeghatározás ugyancsak szelektíven valósítható meg. A készülék egy kiviteli példáját mutatjuk be az 1. ábrán. Az áramkör működése a következő: 1 érzékelő egység 2 érzékelő alaplemezére van izoláltan felvíve 3 hőmérséklet érzékelő réteg, 4 fűtőréteg és 5 gázérzé-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
