ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Приборы для контроля сероводорода в воздухе на основе датчика с гетеропереходом вида n-GaAs/p-CuPc».

Рекомендуемая область пременения

Экология, нефтехимическая и газовая промышленность:
- портативные приборы для проведения экспресс анализа содержания сероводорода в воздухе;
- стационарные приборы для контроля содержания сероводорода в воздушной среде, в том числе в составе автоматизированных систем газового контроля.

Назначение, цели и задачи проекта

Цель проекта состоит в промышленном выпуске конечного изделия -газового анализатора на основе новых датчиков с применением органических материалов.

Очевидна и перспектива в дальнейшем совершенствовании полученных образцов с  установлением новых закономерностей.

Направление работы состоит в уменьшении риска воздействия сероводород содержащих газов на организм человека, а также повышении уровня взрывобезопасности, в первую очередь в рабочей зоне предприятий нефтегазового комплекса, путем разработки и применения новых, более совершенных технических средств измерения концентрации газов.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Принцип действия большинства полупроводниковых газовых датчиков основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Высокую чувствительность, селективность, быстродействие и дешевизну полупроводниковых газовых датчиков следует рассматривать как основные их преимущества перед другими типами датчиков. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов сочетаются с современными микроэлектронными технологиями, что обусловливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические и энергосберегающие характеристики.

Для того, чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревается до температуры 450-500°С, что активизирует его поверхность. В качестве чувствительных полупроводниковых слоев обычно используют мелкодисперсные оксиды металлов (SnO2, ZnO, In2O3 и др.) с легирующими добавками Pl, Pd и др. Нагревателем служит резистивный слой, выполненный из инертных материалов (Pl, RuO2, Au и др.) и электрически изолированный от полупроводникового слоя.

Стоит отметить, что в последнее время большое внимание уделяется исследованию органических полупроводников (особенно металлфталоцианинов, полимеров и периленовых комплексов) в качестве чувствительных слоев газовых сенсоров, так как органические полупроводники и, прежде всего фталоцианины, обладают рядом  замечательных свойств, что выгодно отличает их от хорошо изученных неорганических полупроводников. Органические полупроводники:

- значительно дешевле неорганических;

- путем синтеза можно получить полупроводник p-типа и n-типа с заранее предполагаемыми полупроводниковыми свойствами;

- позволяют получить слой толщиной 20-30 нм путем термического испарения, что много меньше возможной толщины слоя из аморфного кремния;

- легко подвергаются очистке путем вакуумной сублимации;

- обладают высокой чувствительностью и селективностью к различным газам (NH3, CO, CO2, NO2 и др.);

- имеется широкое поле возможностей улучшения избирательности и чувствительности на молекулярном уровне благодаря структурному (химическому) модифицированию данных объектов.

Затруднения, которые всегда встречаются при разработке и производственной реализации полупроводниковых газовых датчиков всех типов, связаны со следующими проблемами:

- стабильность: недостаточная устойчивость характеристик (электрических, сорбционных, оптических) слоя при многократных рабочих циклах "газовое воздействие - дегазация" из-за изменений в структуре;

- воспроизводимость: как следствие из предыдущего - низкая сходимость результатов при разных циклах;

- время отклика: достаточно длительные времена отклика;

- селективность: у определяемых газов могут быть химическое аналоги, попутные газы с похожим действием;

- чувствительность: эта проблема определяется, в основном, задачами конкретного прибора;

- технологичность: под этим термином подразумевается оптимизация минимального ряда операций, который необходим для получения чувствительного слоя (ЧС) датчика. Оптимальными являются доступность (или дешевизна синтеза) исходных соединений, образующих ЧС, простота, если необходимо, модификации ЧС, известные нересурсоемкие методики нанесения ЧС на подложку и способы его предэксплуатационной подготовки. ЧС на основе фталоцианиновых материалов обладают всеми перечисленными свойствами, и это служит хорошим стимулом для их дальнейшего изучения.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Используемый в настоящей работе датчик газа сероводорода представляет собой гетеропереход n-GaAs/p-CuPc, схема которого приведена на рис. 1. Использование в качестве полупроводника p-типа органического полупроводника - фталоцианина меди обусловлено его замечательными свойствами по отношению к сероводороду. В процессе исследований были изучены электрофизические и фотоэлектрические характеристики датчика: зависимость фототока, фото-э.д.с. от концентрации сероводорода, ВАХ, спектральная характеристика. По спектральной характеристике датчика,  было установлено, что он обладает максимальной фоточувствительностью к сероводороду, по фото-э.д.с., при воздействии светом с l=650 нм, поэтому, при дальнейших исследованиях для облучения датчика использовался светодиод с длиной волны l=650  нм. Была отмечена высокая чувствительность датчика к сероводороду при низких температурах, селективность и небольшое время отклика.

Принцип работы датчика.

При воздействии сероводорода, его молекулы проникают сквозь верхний пористый электрод, адсорбируются в слое органического полупроводника и  вступают во взаимодействие с его молекулами, что приводит к изменению электрофизических характеристик датчика.

Рис. 1. Схема датчика сероводорода:

1 –  нижний омический электрод из Au; 2 – монокристаллическая пластинка из арсенида галлия (GaAs); 3 – тонкий слой фталоцианина меди (CuPс); 4 – верхний пористый, полупрозрачный электрод из Au

Технология изготовления датчика заключается в следующем.

Для нанесения на подложку омических электродов и слоя органического полупроводника использовался метод вакуумной сублимации (термическое испарение) на промышленной установке ВУП-4. Остаточное давление во время процесса в зоне сублимации сос­тавляло не более 10-3-10-4 Па.

На монокристаллическую пластинку арсенида галлия, после травления ее в растворе H2O2:NH4OH:H2O (1:1:3), в вакууме наносится нижний омический электрод из Au. За тем, после поворота образца, на противоположную его сторону напыляется тонкий слой CuPc (20 нм). Температура подложки в процессе напыления слоя CuPc поддерживается равной 50-70°С, это позволяет получить компактный слой органического полупроводника и не приводит к отрицательному воздействию на образование гетероперехода. После напыления слой CuPc подвергается легированию кислородом воздуха. За тем, на слой органического полупроводника напыляется верхний полупрозрачный, пористый электрод из Au.

Зависимости фото-э.д.с. датчика от концентрации сероводорода приведены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимости фото-э.д.с. датчика от концентрации сероводорода при различных рабочих температурах:

1 - t=40 ^оС,=180 c;

2 - t=25 ^оС,=180 c;

3 - t=10 ^оС,=180 c.

Структурная схема прибора для измерения концентрации сероводорода в воздухе приведена на рис. 3. В основе устройства лежит микроконтроллер 4. Для освещения полупроводникового датчика сероводорода 1 используется светодиод 2, излучающий свет с длиной волны 650 нм. Включение светодиода происходит по команде с МК. Температура окружающего воздуха измеряется с помощью датчика температуры 3. Сигналы от датчика газа и температуры поступают на аналоговые входы МК и преобразуются в цифровые коды, которые в дальнейшем подвергаются программной обработке. Численное значение концентрации, в именованных единицах, отображается на индикаторе 5.

Рис. 3. Структурная схема измерителя концентрации сероводорода ИКС: 1 – полупроводниковый датчик сероводорода; 2 –излучающий светодиод; 3 - датчик температуры; 4 – микроконтроллер; 5 – жидкокристаллический индикатор.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Для оценки технико-экономического эффекта от применения устройства для измерения концентрации сероводорода сравниваем проектируемый и базовый варианты. В нашем случае в качестве базового варианта рассматриваем промышленный переносной газосигнализатор ИГС-98 с датчиком сероводорода, а в качестве проектируемого - измеритель концентрации сероводорода ИКС.

Годовой экономический эффект от применения нового устройства определяется по разности приведенных затрат. Результаты сравнения приведены в таблице 1.

Исходные данные для технико-экономического расчета

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Экологическая безопасность. Не используются экологически опасные исходные вещества и материалы. Низкая рабочая температура чувствительного элемента уменьшает опасность взрывов при анализе природных газовых смесей, обогащенных водородом и другими взрывоопасными газами.

Новые потребительские свойства продукции

-уменьшены габариты;
-уменьшено энергопотребление;
- повышена безопасность работы;

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Приборы на основе датчика с гетеропереходом вида n-GaAs/p-CuPc прошли апробацию в научных лабораториях Вологодского государственного технического университета.
В настоящее время проводится модернизация устройств с целью улучшения и расширения потребительских свойств.

Предлагаемые инвестиции

4 млн. руб.

Рынки сбыта

Предлагаемый технологический продукт широкого спектра применения и не ограничивается только отечественным рынком сбыта, но и имеет перспективу выхода на мировой рынок. Приборы на основе разработанных датчиков и автоматизированные системы контроля концентрации сероводорода в воздухе могут применяться в нефтегазовой промышленности, как при добыче, так и при транспортировке и переработке углеводородов, а также предприятиях АПК, где сероводород содержащие газы являются побочным продуктом (например – подразделения ООО «Севергазпром», предприятия АПК Вологодской области и др.). Кроме этого, приборы могут использоваться при экологическом мониторинге окружающей среды.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

19.03.2007