RU2274853C1 - Nitrogen dioxide indicator - Google Patents

Abstract

FIELD: gas analysis, in particular, detecting devices used for registration and measurement of content of micro-admixtures of nitrogen and other gases.

SUBSTANCE: in the sensor, containing semiconductor base and substrate, semiconductor base is made of polycrystalline film of cadmium telluride, alloyed with indium antimonide, and as substrate, electrode platform of piezo-quartz resonator is utilized.

EFFECT: increased sensitivity and manufacturability of sensor manufacture, expanded functional capabilities of sensor.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота и других газов. Изобретение может быть использовано для решения задач экологического контроля.The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace elements of nitrogen dioxide and other gases. The invention can be used to solve environmental control problems.

Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии между теплопроводностью паров вещества и газа-носителя [1]. Однако чувствительность такого датчика (детектора) ограничивается на вещества с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа диоксида азота точность определения невелика.A known sensor (detector) for thermal conductivity, the action of which is based on the difference between the thermal conductivity of the vapor of the substance and the carrier gas [1]. However, the sensitivity of such a sensor (detector) is limited to substances with thermal conductivity close to the thermal conductivity of the carrier gas. For example, when using this sensor for analysis of nitrogen dioxide, the accuracy of the determination is small.

Известен также датчик [2], основу газочувствительного элемента которого составляет сульфид свинца, позволяющий определять содержание диоксида азота с большей чувствительностью. Однако технология его изготовления сложна. Она связана с использованием многих реактивов и многих операций по приготовлению соответствующих растворов, их смешению и легированию полупроводниковой пленки, а именно: формирование полупроводниковой пленки осуществляется из реакционной смеси, содержащей соль свинца, тиомочевину, трехзамещенный лимоннокислый натрий, гидроокись аммония, хлористый или бромистый, или йодистый аммоний в мольном соотношении 1:12:7:80 (2, 6). Условия для легирования создаются путем введения в реакционную смесь галогенсодержащих солей. При такой технологии трудно гарантировать ожидаемый состав пленки.A sensor [2] is also known, the basis of the gas-sensitive element of which is lead sulfide, which allows determining the content of nitrogen dioxide with greater sensitivity. However, its manufacturing technology is complicated. It involves the use of many reagents and many operations for preparing the corresponding solutions, mixing and doping the semiconductor film, namely: the formation of a semiconductor film is carried out from a reaction mixture containing lead salt, thiourea, trisubstituted sodium citrate, ammonium hydroxide, chloride or bromide, or ammonium iodide in a molar ratio of 1: 12: 7: 80 (2, 6). Conditions for doping are created by introducing halogen-containing salts into the reaction mixture. With this technology, it is difficult to guarantee the expected film composition.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки [3].The closest technical solution to the invention is a gas humidity sensor, consisting of a semiconductor base made in the form of a polycrystalline film of zinc selenide doped with gallium arsenide, with metal electrodes deposited on its surface and a non-conductive substrate [3].

Недостатком известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей диоксида азота.A disadvantage of the known device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of nitrogen dioxide.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика.The objective of the invention is to increase the sensitivity and manufacturability of the sensor.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами и непроводящую подложку, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного антимонидом индия, без нанесения на ее поверхность металлических электродов, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.The problem is solved due to the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base with metal electrodes deposited on its surface and a non-conductive substrate, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of cadmium telluride doped with indium antimonide, without applying metal electrodes to its surface, and The substrate is the electrode pad of the piezoelectric crystal.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - кривая зависимости величины адсорбции диоксида азота от температуры, на фиг.3 - градуировочная кривая зависимости изменения частоты колебания пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой (Δf) в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления

Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The invention is illustrated by drawings, where are presented in figure 1 - the design of the inventive sensor, figure 2 is a curve of the magnitude of the adsorption of nitrogen dioxide on temperature, figure 3 is a calibration curve of the change in the frequency of the oscillation of the piezoelectric crystal coated with a semiconductor film (Δf) in the process of adsorption at room temperature from the initial pressure

The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного антимонидом индия, нанесенной на электродную площадку (2) пьезокварцевого резонатора 3 (фиг.1). Рабочий объем устройства менее 0,2 см³. Малые габариты устройства в сочетании с малой массой пленки-адсорбента позволяют снизить постоянную датчика по времени до 10-20 мс. Кроме того, исключается операция напыления на полупроводниковое основание металлических электродов, что повышает технологичность изготовления датчика.The sensor consists of a semiconductor base 1, made in the form of a polycrystalline film of cadmium telluride doped with indium antimonide, deposited on the electrode pad (2) of the piezoelectric crystal 3 (figure 1). The working volume of the device is less than 0.2 cm ³ . The small dimensions of the device in combination with the low mass of the adsorbent film can reduce the sensor constant in time to 10-20 ms. In addition, the operation of deposition on the semiconductor base of metal electrodes is excluded, which increases the manufacturability of the sensor.

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку кварцевого резонатора, и вызывающих изменение его массы, а соответственно частоты.The principle of operation of such a sensor is based on adsorption-desorption processes that occur on a semiconductor film deposited on the electrode pad of a quartz resonator, and cause a change in its mass and, accordingly, frequency.

Работа датчика осуществляется следующим образом.The operation of the sensor is as follows.

Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают (или в которой выдерживают) анализируемый на содержание диоксида азота газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки CdTe(InSb) происходит избирательная адсорбция молекул NO₂, увеличение массы композиции "пленка - кварцевый резонатор" и изменение частоты колебания последнего. По величие изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание диоксида азота в исследуемой среде.The sensor is placed in a chamber at room temperature (it can be an ordinary glass tube) through which the gas analyzed for nitrogen dioxide is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the CdTe (InSb) semiconductor film, selective adsorption of NO ₂ molecules occurs, the mass of the film – quartz resonator composition increases, and the vibration frequency of the latter changes. The magnitude of the frequency change using calibration curves can determine the content of nitrogen dioxide in the test medium.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость Δf содержания диоксида азота

следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков [2, 3].From the analysis of a typical calibration curve shown in FIG. 3, obtained using the inventive sensor and expressing the dependence Δf of the nitrogen dioxide content

follows: the claimed sensor with a significant simplification of its manufacturing technology allows you to determine the content of nitrogen dioxide with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors [2, 3].

Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенирируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.The design of the inventive sensor can also improve its other characteristics: speed, regenerability, the ability to work not only in static but also in dynamic mode.

Источники информацииInformation sources

1. Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш. школа, 1987.1. Vyakhirev D.A., Shushukova A.F. Guide to gas chromatography. M .: Higher. School, 1987.

2. Патент №2143677, М. Кл. G 01 № 27112, 1999 /В.Ф.Марков, Л.Н.Маскаева, С.Н.Уймин, Н.В.Маркова.2. Patent No. 2143677, M. Cl. G 01 No. 27112, 1999 / V.F. Markov, L.N. Maskaev, S.N. Uimin, N.V. Markova.

3. Патент №2161794, М. Кл. G 01 № 27/12, 25/56.3. Patent No. 2161794, M. Cl. G 01 No. 27/12, 25/56.

Claims (1)

Датчик диоксида азота, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного антимонидом индия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого генератора.A nitrogen dioxide sensor containing a semiconductor base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of cadmium telluride doped with indium antimonide, and the electrode pad of the piezoelectric crystal serves as the substrate.

Images