ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2012 года по МПК G01N27/12 

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.

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.) [1]. 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.

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. 1998, №3, с.75) [2], 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, как нагревание оксида до 200-400°C, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов O₂ ^-, O^- и взаимодействием 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.

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 РФ №2161794, М.кл. G01N 27/12, 25/56, 2001) [3].

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, выполненное из поликристаллической пленки селенида цинка, и непроводящую подложку, согласно заявляемому изобретению, поликристаллическая пленка селенида цинка легирована селенидом кадмия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

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 частоты колебания пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой (Δf) в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления - последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка, легированного селенидом кадмия, нанесенной на электродную площадку (2) пьезокварцевого резонатора 3 (фиг.1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его частоты.

Работа датчика осуществляется следующим образом.

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 ZnSe (CdSe) происходит избирательная адсорбция молекул NH₃, увеличение массы композиции «пленка - кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения частоты (Δf) от содержания аммиака , следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления (в частности, исключаются операции нанесения металлических электродов) позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков [2, 3].

Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,3 см³) в сочетании с малой массой пленки - адсорбента позволяют снизить постоянную датчика по времени до 10-20 мс.

Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака и других газов. Полупроводниковый газовый датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание, выполненное из поликристаллической пленки селенида цинка, легированного селенидом кадмия, при этом подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности датчика и технологичность его изготовления. 3 ил.

Полупроводниковый газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание, выполненное из поликристаллической пленки селенида цинка, и подложку, отличающийся тем, что поликристаллическая пленка селенида цинка легирована селенидом кадмия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.