Полупроводниковый датчик диоксида азота Российский патент 2019 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 (NO2). 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. 20.10.2012). Газовый сенсор для индикации диоксида азота/А.М. Гаськов, М.Н. Румянцева, 2012), позволяющий определять содержание диоксида азота с большей чувствительностью, но имеющий ряд недостатков.

Недостатками известного устройства являются низкая селективность по отношению к NO₂ (проявляет чувствительность и к СО), сложность конструкции, относительно высокая (по сравнению с комнатной) рабочая температура (125-200 °С), использование драгоценных металлов (Au, Pt), 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°С - 24 ч., 120°С - 10 ч., 160°С - 10 ч., 200°С - 10 ч., 300°С - 10 ч. и 350°С - 24 ч., нанесение платиновых электродов. Осуществление такого способа изготовления газового сенсора, отличающегося многостадийностью технологических операций, сопряжено с большими временными затратами.

Ближайшим техническим решением к изобретению (прототипом) (патент RU №2437087, опубл.20.12.2011г.) является газовый датчик, состоящий из полупроводникового основания, выполненного из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного сульфидом кадмия, и подложки, которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

Недостатками такого устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей диоксида азота. Кроме того, конструкция устройства предусматривает в процессе его изготовления разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля и сам процесс легирования антимонида индия; операции напыления металлических электродов и прямых адсорбционных измерений.

Техническим результатом изобретения является создание датчика, характеризующегося повышенной чувствительностью и технологичностью его изготовления.

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 селенида цинка, нанесенной на непроводящую подложку.

Сущность изобретения поясняется чертежом и таблицей, где представлены:

на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика;

на фиг. 2 - градуировочная кривая зависимости изменения pH изоэлектического состояния поверхности (∆pH_изо) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NO₂ (P_NO2);

в таблице - данные по влиянию диоксида азота на pH изоэлектрического состояния поверхности (∆pH_изо) селенида цинка.

Таблица демонстрирует заметное влияние диоксида азота на pHизо поверхности полупроводникового основания - поликристаллической пленки селенида цинка, а градуировочная кривая наглядно указывает на высокую чувствительность полупроводникового основания к диоксиду азота.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки ZnSe, и непроводящей подложки 2 (фиг.1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на непроводящую подложку, и вызывающих изменение pH изоэлектрического состояния и, соответственно, силы активных центров ее поверхности.

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 диоксида азота газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки ZnSe происходит избирательная адсорбция молекул NO₂ и изменение pH изоэлектрического состояния поверхности. С помощью градуировочных кривых можно определить содержание диоксида азота в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг. 2. типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ∆pH_изо от содержания диоксида азота (P_NO2), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля, самого процесса легирования полупроводникового основания, а также исключением операций нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.

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.

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

Таблица

Значения pH изоэлектрического состояния поверхности селенида цинка при различной обработке поверхности

Таблица

Значения pH изоэлектрического состояния (рН_изо) поверхности селенида
цинка Экспонирование на воздухе Обработка аргоном Экспонирование в диоксиде азота 8,20 7,95 4,50

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач экологического контроля. Предложен полупроводниковый датчик диоксида азота, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка (ZnSe), которая нанесена на непроводящую подложку. Выполненный согласно изобретению датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 2 ил.

Полупроводниковый датчик диоксида азота, содержащий полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки селенида цинка.