ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК МИКРОПРИМЕСЕЙ КИСЛОРОДА Российский патент 2016 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода. Изобретение может быть использовано для экологического мониторинга.

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 такой датчик (детектор) чувствителен только к веществам с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа кислорода точность определения невысока.

Известен также близкий по устройству 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. G01 №27/12, опубликовано 10.06.2003).

Недостатком известного устройства является недостаточная чувствительность при контроле микропримесей кислорода. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операцию напыления металлических электродов.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик кислорода (Кировская И.А. Поверхностные явления. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. С. 159), основанный на контакте металл-полупроводник (GaAs), на связи изменения контактной разности потенциалов (КРП) с давлением газа (O₂) и избирательности адсорбции при наличии двух и более газовых компонентов.

Недостатком данного устройства является невысокая чувствительность для контроля содержания кислорода (его точность сравнима с точностью термопарного манометра - ~5·10^-3 мм рт.ст.) и трудоемкость осуществления контроля изменения контактной разности потенциалов под влиянием адсорбированного кислорода, сопряженного с необходимостью постановки сложного, трудоемкого метода измерения КРП и, соответственно, с операцией нанесения металлических электродов.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика, позволяющего определять содержание микропримесей кислорода в газовых смесях при комнатной температуре.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривая зависимости величины адсорбции кислорода от температуры, на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения частоты колебания (Δf) пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления O₂ (Ро₂). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3.

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

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 O₂. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (ZnTe)_0,85(GaSb)_0,15 происходит избирательная адсорбция молекул O₂, увеличение массы композиции «пленка - кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание кислорода 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 кислорода (Ро₂), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков.

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. Кроме того, исключается операция напыления на полупроводниковое основание металлических электродов, что повышает технологичность изготовления датчика.

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

Изобретение относится к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода и может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия ((ZnTe)_0,85(GaSb)_0,15), а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Изобретение обеспечивает при существенном упрощении технологии изготовления определение содержания кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Датчик микропримесей кислорода, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, при следующем соотношении (мол.%): ZnTe:GaSb=85:15, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.