RU2350936C1 - Semiconducting gas analyser - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, measurement.

SUBSTANCE: invention is related to detecting devices used for registration and measurement of ammonia and other gases trace contaminants content. In gas analyser semiconducting base is made of polycrystals film of cadmium sulfide alloyed with indium antimonide, and substrate used is electrode platform of piezoelectric quartz resonator.

EFFECT: simplification of detector manufacture technology at simultaneous increase of gas content detection sensitivity several times compared to available detectors.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака 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 ammonia 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 (Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш. школа, 1987, - 287 с.). Однако чувствительность такого датчика (детектора) ограничивается на вещества с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа аммиака точность определения невысока.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 (Vyakhirev D.A., Shushukova A.F. Guide to gas chromatography. M: Higher school, 1987, 287 s .). 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 ammonia analysis, the accuracy of determination is low.

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. 1998, №3. С.75), позволяющий определять содержание аммиака с большей чувствительностью. Однако он сложен по конструкции и механизму получения отклика на присутствие определяемого компонента: включает в качестве преобразователя-полупроводника оксид металла (SnO₂, In₂O₃, Nb₂O₅) и нанесенный на его поверхность адсорбционный слой специального материала, дающий названный отклик. Для получения отклика необходимы такие дополнительные операции, какA sensor is also known (G.Budnikov. What are chemical sensors // Soros Educational Journal. 1998, No. 3. P.75), which allows to determine the ammonia content with greater sensitivity. However, it is complex in design and mechanism for obtaining a response to the presence of a determined component: it includes metal oxide (SnO ₂ , In ₂ O ₃ , Nb ₂ O ₅ ) as a semiconductor converter and an adsorption layer of a special material deposited on its surface, which gives the named response. To receive a response, additional operations such as

- нагревание оксида до 200-400°С, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток,- heating the oxide to 200-400 ° C, since at room temperature it is an insulator and does not conduct electric current,

- хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов O₂ ^-, О^- и- chemisorption on the heated surface of air oxygen, accompanied by the formation of negatively charged ions O ₂ ^- , O ^- and

- взаимодействие последних с определяемым газом (его окислением). Таким образом, электропроводность полупроводникового (оксидного) слоя в воздухе определяется не непосредственно содержанием определяемого газа, а степенью заполнения поверхности хемосорбированным кислородом, которая, в свою очередь, изменяется пропорционально концентрации определяемого газа.- the interaction of the latter with a defined gas (its oxidation). Thus, the electrical conductivity of the semiconductor (oxide) layer in the air is determined not directly by the content of the gas being determined, but by the degree of filling of the surface with chemisorbed oxygen, which, in turn, varies in proportion to the concentration of the gas being determined.

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 (Патент № 2161794. М.кл. G01N 27/12, 25/56. 2001 / И.А.Кировская).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 (Patent No. 2161794. Mcl G01N 27/12 , 25/56. 2001 / I.A. Kirovskaya).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака.The disadvantage of this known device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of ammonia.

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

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и непроводящую подложку, согласно изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного антимонидом индия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.The specified technical result is achieved by the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base and a non-conductive substrate, according to the invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of cadmium sulfide doped with indium antimonide, and the electrode is a piezoelectric crystal cavity.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - кривая зависимости величины адсорбции аммиака от температуры, на фиг.3 - градуировочная кривая зависимости изменения электропроводности (Δσ) полупроводниковой пленки в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH₃

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 - curve of the magnitude of the adsorption of ammonia on temperature, figure 3 - calibration curve of the change in electrical conductivity (Δσ) of the semiconductor film during adsorption at room temperature from initial pressure NH ₃

The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного антимонидом индия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3 (фиг.1).The sensor consists of a semiconductor base 1, made in the form of a polycrystalline film of cadmium sulfide doped with indium antimonide, deposited on the electrode pad 2 of the piezoelectric crystal resonator 3 (figure 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку кварцевого резонатора, и вызывающих изменение его электропроводности.The principle of operation of such a sensor is based on adsorption-desorption processes occurring on a semiconductor film deposited on the electrode pad of a quartz resonator, and causing a change in its electrical conductivity.

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 аммиака газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки CdS(InSb) происходит избирательная адсорбция молекул NH₃ и изменение частоты электропроводности пленки. По величине изменения электропроводности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака 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 ammonia content is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the CdS (InSb) semiconductor film, selective adsorption of NH ₃ molecules and a change in the frequency of the electrical conductivity of the film occur. The magnitude of the change in electrical conductivity using calibration curves can determine the ammonia content in the test medium.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения электропроводности от содержания аммиака

следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,2 см³) 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.From the analysis of a typical calibration curve shown in FIG. 3, obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of the change in conductivity on the ammonia content

follows: the inventive sensor with a significant simplification of its manufacturing technology allows you to determine the ammonia content with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors. Small dimensions of the device (working volume less than 0.2 cm ³ ) in combination with a small mass of the film - adsorbent can reduce the sensor constant in time to 10-20 ms. In addition, the operation of sputtering on the semiconductor base of metal electrodes is excluded, which increases the manufacturability of the sensor.

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

Claims (1)

Полупроводниковый газоанализатор, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного антимонидом индия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. A semiconductor gas analyzer containing a semiconductor base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of cadmium sulfide doped with indium antimonide, and the substrate is an electrode pad of a piezoelectric crystal.

Images