ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ АНАЛИЗАТОР ДИОКСИДА АЗОТА Российский патент 2015 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. 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.).

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 невысока.

Известен также датчик (сенсор) диоксида азота, состоящий из подложки, выполненной из поликристаллического Al₂O₃, чувствительного слоя в виде тонкой пленки из нанокристаллического диоксида олова, в который дополнительно введены наночастицы оксида никеля и золота, и платиновых электродов (Патент RU №2464554 М. кл. G01N 27/12, опубл. 2012), позволяющий определять содержание диоксида азота с большей чувствительностью, но имеющий ряд недостатков.

Недостатками известного устройства являются невысокая селективность по отношению к NO₂, относительно высокая (по сравнению с комнатной) рабочая температура (125-200°C), использование драгоценных металлов (Au, Pt), сложность конструкции, длительность и трудоемкость (сложность) его изготовления: формирование пленки чувствительного элемента происходит в несколько стадий, включая получение геля оловянной кислоты, промывку и сушку, модификацию поверхности диоксида олова золотом и оксидом никеля, сушку и последующую прокалку в температурном режиме: 80°C - 24 ч, 120°C - 10 ч, 160°C - 10 ч, 200°C - 10 ч, 300°C - 10 ч и 350°C - 24 ч, нанесение платиновых электродов. Осуществление такого способа изготовления газового сенсора отличается многостадийностью технологических операций, сопряжено с большими временными затратами.

Ближайшим техническим решением к изобретению (прототипом) 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 RU №2161794, М. кл. G01N 27/12, опубл. 2001).

Недостатками этого известного устройства являются его недостаточная чувствительность и селективность при контроле микропримесей диоксида азота, трудоемкость изготовления за счет того, что необходимо нанесение металлических электродов на полупроводниковое основание.

Технический результат изобретения - создание датчика, характеризующегося повышенной чувствительностью, селективностью, технологичностью его изготовления и позволяющего определять содержание микропримесей диоксида азота в газовых смесях.

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 твердого раствора (InSb)_0,94(CdTe)_0,06, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей, где представлены на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривые зависимости pH изоэлектрического состояния поверхности (pH_изо) полупроводников системы InSb-CdTe, экспонированных в инертном газе (а) и в атмосфере диоксида азота (б), от их состава; на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения электропроводности (Δσ) полупроводниковой пленки в процессе адсорбции при комнатной температуре от начальной концентрации NO₂ (C_NO2), а в таблице - данные, свидетельствующие о его селективности по отношению к другим газам (O₂, SO₂, CO).

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)_0,94(CdTe)_0,06, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Кривые а и б на фиг. 2 демонстрируют заметное влияние диоксида азота на pH_изо поверхности полупроводникового основания - поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)_0,94(CdTe)_0,06, градуировочная кривая на фиг. 3 и таблица наглядно указывают на высокую чувствительность и селективность полупроводникового основания к диоксиду азота.

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

Работа датчика осуществляется следующим образом. Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают анализируемый газ на содержание диоксида азота. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (InSb)_0,94(CdTe)_0,06 происходит избирательная адсорбция молекул NO₂ и изменение электропроводности. По величине изменения электропроводности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание NO₂ в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг. 3. типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения электропроводности (Δσ) от содержания диоксида азота (C_NO2), а также из таблицы следует: заявляемый датчик при существенном упрощении состава чувствительного слоя, исключении из него драгоценных металлов (Au, Pt), существенном упрощении всей конструкции в целом и технологии изготовления позволяет определять содержание диоксида азота, с чувствительностью, не уступающей чувствительности известных датчиков, и при этом с высокой селективностью.

Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено существенным упрощением состава чувствительного слоя и конструкции датчика в целом (устранением многостадийности технологических операций и соответственно временных затрат), а также исключением операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов.

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.

Таблица Избирательная чувствительность тонкой пленки твердого раствора (InSb)_0,94(CdTe)_0,06 при 20°C Газ Содержание газа, C·10⁴ об. % Изменение электропроводности, Δσ·10³, Ом^-1·см^-1 NO₂ 2 6 SO₂ 6 0 CO 10 0 O₂ 6 0,1 NO₂ + SO₂ 2:6 5,9 NO₂ + CO 2:6 5,9

Использование: для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Сущность изобретения заключается в том, что датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)_0,94(CdTe)_0,06, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, селективности датчика и технологичности его изготовления. 3 ил., 1 табл.

Газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)_0,94(CdTe)_0,06, a подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.