1. Сравнительный анализ аналогов.
1.1. Сравнительный анализ аналогов.
Интенсивная промышленная деятельность, бесконтрольные выбросы и утечки вредных веществ в атмосферу привели к опасному уровню нагрузки на окружающую среду, создали реальную угрозу здоровью населения и невосполнимого ущерба природным ресурсам.
Для обнаружения значительных промышленных выбросов газов в атмосферу возможно применение дистанционного обнаружения выбросов с помощью лидарных систем. Эти системы работают с применением лазеров по методу резонансного поглощения. Но конечно для этого метода обнаружения необходимы колоссальные затраты энергии и техники, что делает его неприменимым для обнаружения газов в массовом применении.
Поэтому в странах с развитой промышленностью выделяются значительные средства на создание систем экологического мониторинга и портативных газоаналитических приборов и сигнализаторов, своевременно информирующих о превышении содержания в воздухе токсичных и горючих газов и позволяющих производить оценки риска современных технологий и предупреждать нежелательные явления.
Основу таких информационных систем должна составлять широкая номенклатура газовых сенсоров и микросхем, технологически совместимых с микроэлектронными средствами обработки данных.
Измерительные и контрольные газоаналитические приборы, построенные на традиционных типах сенсоров: спектроскопических, термокаталитических, ионно-химических и т.д., отличаются высокой энергоемкостью, сложностью в обслуживании, невозможностью или затруднительностью при использовании для непрерывного мониторинга в реальном масштабе времени, высокой трудоемкостью и стоимостью.
Анализ вероятных путей развития газовых сенсоров на обозримое будущее, выполненный рядом ведущих специалистов Института теоретической и физической химии Тюбингенского университета (Германия), еще в конце 80-х годов ХХ века, показал, что наиболее перспективными для массового применения являются полупроводниковые газовые сенсоры, изготовленные на основе металлоксидных структур с применением микроэлектронных технологий.
Разработка полупроводниковых газовых сенсоров в течение нескольких последних лет успешно ведется в научно-технической кооперации рядом известных отечественных и зарубежных организаций, в том числе ОАО “Авангард” (Санкт-Петербург), ВНИИМ им. Д.И.Менделеева (Санкт-Петербург), РНИИ “Электростандарт” (Санкт-Петербург), “Даймлер-Крайслер” (Германия), “Моторола” (США), Институтом новых материалов для электроники (Лечче, Италия), Университетом г.Брешиа (Италия), Институтом физических и химических проблем Белорусского Государственного Университета, Бухарестским Университетом (Румыния).
Совместные исследования выполнялись в рамках международных научно-технических проектов и коммерческих контрактов, например российско-немецких проектов “Интеллектуальные газовые сенсоры” (Intellegente Gassensoren) в 1993-1996гг., “Газовые смеси” (Mischgas) в 1997-1999 гг., программ Совета Евросоюза “ Коперникус-4”- проект “Eastgas” в 1996-1999 гг., “Коперникус-5” – проект “Gasmoh” с 2000 г и т.д.
В соответствии с Решением Российского агентства по системам управления, согласованным с Ленэнерго и Сибэнерго РАО ЕЭС, ОАО “Авангард” в 2000-2001 гг. проводит опытно-конструкторскую работу по созданию промышленного производства полупроводниковых газовых сенсоров на СО, СН4 и О2 и газоаналитических приборов на их основе для автоматизированных систем управления работой топливо сжигающих установок и для контроля концентрации отходящих горючих и токсичных газов.
Основой полупроводниковых газовых сенсоров является первичный чувствительный элемент (ПЧЭ), в качестве которого обычно используются металлооксидные полупроводниковые соединения, такие как SnO2, Jn2O3, ZnO, Fe2O3, Ca2O3 и др. Среди них наибольшее распространение нашел диоксид олова, благодаря своей более высокой технологичности и совместимости с другими конструктивными элементами ПЧЭ: нагревательными элементами, металлическими межсоединениями, слоями изоляции и т.д.
Активный слой SnO2 образует резистивный элемент, который при контакте с контролируемым газом изменяет свою проводимость вследствие хемосорбционных реакций на поверхности металлооксида или в его объеме на глубине волны Дебая. Для активации реакции на поверхности SnO2 формируются предусмотренные для этого активаторы-катализаторы. В качестве активаторов-катализаторов чаще всего используются такие элементы как Pt, Pd, Ag, Ni, Jn, Ca, V, Fe и др.
В технологии изготовления полупроводниковых сенсоров определяющими являются способы формирования металлооксидного слоя и введение в его структуру каталитических элементов.
Среди наиболее распространенных технологических вариантов отметим следующие:
1. Микрокерамическая технология (фирма “Фигаро”, Япония). В этом варианте в керамическую шихту металлооксида замешиваются каталитические примеси Pt, Pd и др. Слой металлоокисла представляет собой спеченную керамическую массу на основе SnO2 толщиной 0.5-1.0 мм с распределенными в ней каталитическими элементами.
2. Толстопленочная технология (фирма “Фигаро”, Япония; Институт им. И.В.Курчатова; Институт новых материалов для электроники, Лечче, Италия). В этом случае катализирующие примеси также замешиваются в исходный материал на основе SnO2.
3. Технология, базирующаяся на приготовлении коллоидных золей на основе органических соединений, содержащих металлооксидный полупроводник, которые после выдержки в течение определенного времени переходят в гель-состояние. При последующей термообработке при температуре 250-550oС происходит спекание гелеобразной массы в стекловидный слой. Каталитический элемент вносится либо в исходный золь, либо может быть введен в подсушенную при 100oС гель-структуру методом ее пропитки раствором, содержащим требуемый катализатор, с последующей высокотемпературной термообработкой.
4. Тонкопленочная технология (Центр микроэлектроники Нью-Шаттельского университета, Швейцария; Институт измерительных физических приборов, Фрайбург, Германия; фирма «Даймлер-Крайслер», Германия; фирма «Моторола», США; Университет г. Брешиа, Италия; ЗАО «Авангард-Микросенсор» и др.
Толщина слоя SnO2 тонкопленочного сенсора варьируется в интервале 50-200 нм.
Достаточно очевидно, что первые два и, в определенной степени, третий технологические варианты по сравнению с сенсорами в тонкопленочном исполнении полупроводникового слоя имеют ряд принципиальных недостатков. В первую очередь, это высокие значения потребляемой мощности: от 0,7 до нескольких единиц ватт, что связано с существенно большей массой газочувствительного элемента.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
