ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ОКСИДА УГЛЕРОДА 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 оксида углерода. Изобретение может быть использовано в экологии для анализа загрязнений окружающей среды.

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.

Известен также полупроводниковый газовый датчик на основе оксида индия (In₂О₃), легированного оксидами щелочных металлов (Yamaura 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.

Известен датчик монооксида углерода, состоящий из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами, и непроводящей подложки (Патент RU №2206083, М. кл. G01N 27/12, опубл. 10.06.2003).

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

Известен также датчик диоксида азота, состоящий из поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного антимонидом индия, и подложки, которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора (Патент RU №2274853, М. кл. G01N 27/12, опубл. 20.04.2006). Это изобретение обеспечивает повышение чувствительности при анализе микропримесей NO₂. Однако экспериментально была установлена его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей оксида углерода (фиг. 2).

Ближайшим техническим решением является нанополупроводниковый газовый датчик, состоящий из наноразмерной пленки теллурида кадмия, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора (Патент RU №2458338, М. кл. G01N 27/12, опубл. 10.02.2012).

Недостатком такого устройства является его недостаточная чувствительность для контроля микропримесей оксида углерода (см. фиг. 2, 3). Кроме того, конструкция устройства предусматривает в процессе изготовления разработки специальной технологии, режима и программы контроля напыления пленок в пределах наноразмерности.

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

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, согласно изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки твердого раствора замещения состава (CdTe)_0,95(InSb)_0,05, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривые зависимости величины адсорбции оксида углерода от температуры на полупроводниковом основании заявленного датчика (а), полупроводниковом основании известного датчика диоксида азота (Патент RU №2274853, М. кл. G01N 27/12) (б) и полупроводниковом основании ближайшего технического решения - нанополупроводникового газового датчика (Патент RU №2458338, М. кл. G01N 27/12) (в), на фиг. 3 - градуировочные кривые зависимости изменения частоты колебания пьезокварцевого резонатора (Δf) с нанесенной поликристаллической полупроводниковой пленкой - полупроводниковым основанием заявленного датчика (а) и с нанесенной наноразмерной пленкой CdTe - полупроводниковым основанием ближайшего технического решения (Патент RU №2458338, М. кл. G01N 27/12) (б) в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления СО (Р_CO). Последние наглядно демонстрируют повышенную чувствительность заявленного датчика.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора замещения состава (CdTe)_0,95(InSb)_0,05, 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 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 СО. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки состава (CdTe)_0,95(InSb)_0,05 происходит избирательная адсорбция молекул СО, увеличение массы композиции "пленка - кварцевый резонатор" и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание оксида углерода в исследуемой среде.

Из анализа приведенных на фиг. 3. типичных градуировочных кривых, полученных с помощью заявленного датчика (а), ближайшего технического решения (б) и выражающих зависимость изменения частоты колебания (Δf) от содержания оксида углерода (С_CO), а также из анализа изобар адсорбции СО (фиг. 2) следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, более чем на порядок превышающей 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, исключаются разработки специальной технологии, режима и программы напыления пленок в пределах наноразмерности, что повышает технологичность изготовления датчика.

Конструкция заявленного 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 оксида углерода и . может быть использовано в экологии. Датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание (1), выполненное в виде поликристаллической пленки твердого раствора замещения состава (CdTe)_0,95(InSb)_0,05. Поликристаллическая пленка (CdTe)_0,95(InSb)_0,05 нанесена на электродную площадку (2) пьезокварцевого резонатора (3). Изобретение обеспечивает при существенном упрощении технологии его изготовления определять содержание оксида углерода с чувствительностью, более чем на порядок превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Датчик оксида углерода, содержащий полупроводниковое основание и подложку, представляющую собой электродную площадку пьезокварцевого резонатора, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора замещения состава (CdTe)_0,95(InSb)_0,05.