RU2565361C1

RU2565361C1 - Semiconductor carbon monoxide gas analyser

Info

Publication number: RU2565361C1
Application number: RU2014124568/28A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировская; Марина Владимировна Васина
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2015-10-20

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: sensor consists of a semiconductor base in the form of a polycrystalline film of a solid solution of (ZnTe)_0.68(CdSe)_0.32, and a nonconducting substrate.

EFFECT: sensor according to the invention enables to determine content of carbon monoxide with sensitivity which is several times higher than that of existing sensors with a significantly simple technique of making the sensor.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода и других газов. Изобретение может быть использовано в экологии.The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace amounts of carbon monoxide and other gases. The invention can be used in ecology.

Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии теплопроводности паров вещества и газа-носителя (Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш. школа, 1987. - 287 с.). Однако такой датчик (детектор) чувствителен только к веществам с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя.A known sensor (detector) for thermal conductivity, the action of which is based on the difference in 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 p. ) However, such a sensor (detector) is sensitive only to substances with thermal conductivity close to the thermal conductivity of the carrier gas.

Известен также полупроводниковый газовый датчик на основе оксида индия (In₂O₃), легированного оксидами щелочных металлов (γamaura Hiroyuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Yamazoe Noboru //J. Electrochem. Soc. - 1996. - V.43. N 2. P. 36-37). Он позволяет детектировать 6,7 - 0,05 Па СО во влажном воздухе при 300°С. Недостатком данного устройства является недостаточная чувствительность для контроля содержания оксида углерода, высокая рабочая температура - 300°С и трудоемкость изготовления.Also known is a semiconductor gas sensor based on indium oxide (In ₂ O ₃ ) doped with alkali metal oxides (γamaura Hiroyuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Yamazoe Noboru // J. Electrochem. Soc. - 1996. - V.43 . N 2. P. 36-37). It allows you to detect 6.7 - 0.05 Pa WITH in moist air at 300 ° C. The disadvantage of this device is the lack of sensitivity to control the content of carbon monoxide, a high operating temperature of 300 ° C and the complexity of manufacturing.

Ближайшим техническим решением к изобретению является газовый датчик влажности газов, состоящий из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки (Патент RU №2206083, М.кл. 7 G01N 27/12, опубл. 10.06.2003).The closest technical solution to the invention is a gas gas humidity sensor, consisting of a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc selenide, coated with metal electrodes and a non-conductive substrate (Patent RU No. 2206083, Mcl 7 G01N 27/12, publ. 06/10/2003).

Недостатком известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей оксида углерода. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операции напыления металлических электродов и прямых адсорбционных измерений.A disadvantage of the known device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of carbon monoxide. In addition, the design of the sensor involves the operation of deposition of metal electrodes and direct adsorption measurements during its manufacture.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and manufacturability of the sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащим полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, согласно изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)_0,68(CdSe)_0,32.The specified technical result is achieved by the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base deposited on a non-conductive substrate, according to the invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of a solid solution (ZnTe) _0.68 (CdSe) _0.32 .

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривые зависимости величины рН изоэлектрического состояния поверхности (рН_изо) полупроводников системы ZnTe - CdSe, экспонированных на воздухе (а) и в атмосфере оксида углерода (б), от их состава; на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения рН изоэлектрического состояния поверхности (ΔрН_изо) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления СО (Р_со). Кривые а, б на фиг. 2 демонстрируют заметное влияние оксида углерода на рН_изо поверхности полупроводникового основания - поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)_0,68(CdSe)_0,32; градуировочная кривая на фиг. 3 наглядно указывает на высокую чувствительность полупроводникового основания к оксиду углерода.The invention is illustrated by drawings, which are presented in FIG. 1 - design of the inventive sensor, FIG. 2 - curves of the dependence of the pH value of the surface isoelectric state (pH _iso ) of ZnTe - CdSe semiconductors exposed in air (a) and in a carbon monoxide atmosphere (b), on their composition; in FIG. 3 - the calibration curve of pH changes isoelectric surface state (ΔrN _iso) semiconductor base in the adsorption process at room temperature from an initial pressure of CO (P _co). Curves a, b in FIG. 2 demonstrate a noticeable effect of carbon monoxide on pH _{from the} surface of a semiconductor base — a polycrystalline film of a solid solution (ZnTe) _0.68 (CdSe) _0.32 ; calibration curve in FIG. 3 clearly indicates the high sensitivity of the semiconductor base to carbon monoxide.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)_0,68(CdSe)_0,32 и непроводящей подложки 2 (фиг. 1).The sensor consists of a semiconductor base 1 made in the form of a polycrystalline film of a solid solution (ZnTe) _0.68 (CdSe) _0.32 and a non-conductive substrate 2 (Fig. 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на непроводящую подложку, и вызывающих изменение рН изоэлектрического состояния и, соответственно, силы активных центров ее поверхности.The principle of operation of such a sensor is based on adsorption-desorption processes occurring on a semiconductor film deposited on a non-conductive substrate, and causing a change in the pH of the isoelectric state and, accordingly, the strength of the active centers of its surface.

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 оксида углерода газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (ZnTe)_0,68(CdSe)_0,32 происходит избирательная адсорбция молекул СО и изменение рН изоэлектрического состояния поверхности. С помощью градуировочных кривых можно определить содержание оксида углерода 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 carbon monoxide content is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the semiconductor film (ZnTe) _0.68 (CdSe) _0.32 , selective adsorption of CO molecules and a change in the pH of the isoelectric state of the surface occur. Using calibration curves, you can determine the content of carbon monoxide in the test medium.

Из анализа приведенной на фиг. 3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ΔрН_изо от содержания оксида углерода (Р_со), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением операций нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.From the analysis of FIG. 3 typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of ΔрН iz _from the content of carbon monoxide (P _co ), follows: the inventive sensor with a significant simplification of its manufacturing technology allows you to determine the content of carbon monoxide with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors. A significant simplification of the manufacturing technology of the sensor is due to the exclusion of the operations of applying metal electrodes to the semiconductor base and laborious adsorption measurements.

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.Small dimensions of the device (working volume less than 0.2 cm ³ ) in combination with a small mass of the adsorbent film can reduce the sensor constant in time to 10-20 ms.

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

Claims

Газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)_0,68(CdSe)_0,32. A gas sensor containing a semiconductor base deposited on a non-conductive substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of a solid solution (ZnTe) _0.68 (CdSe) _0.32 .