Полупроводниковый датчик аммиака Российский патент 2017 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. 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 аммиака, точность определения невысока.

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соровский 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, 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 О₂^-, 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 (пат. RU №2161794, МПК G01N 27/12, опубл. 10.01.2001).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операцию напыления металлических электродов, что является трудоемкой операцией.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности изготовления датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и подложку, согласно заявляемому изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки твердого раствора теллурида и сульфида кадмия состава (CdTe)_0,5(CdS)_0,5, а подложка - в виде электродной площадки 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 NH₃ (P_NH3). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора на основе сульфида кадмия и теллурида кадмия состава (CdTe)_0,5(CdS)_0,5, 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 колебаний Δf.

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 пленкитвердого раствора состава (CdTe)_0,5(CdS)_0,5 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 Δf от содержания аммиака (P_NH3), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающую 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.

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 может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdTe)_0,5(CdS)_0,5, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Датчик микропримесей аммиака, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора теллурида и сульфида кадмия состава (CdTe)_0,5(CdS)_0,5, нанесенной на подложку, выполненную в виде электродной площадки пьезокварцевого резонатора.