Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода 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 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. - 287с). 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. G 01 № 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 поверхностного изгиба зон с давлением газа (О₂) и избирательности адсорбции при наличии двух и более газовых компонентов. Недостатком данного устройства является недостаточная чувствительность для контроля содержания кислорода (его точность сравнима с точностью термопарного манометра - ~5 10^-3 мм рт.ст.) и трудоемкость осуществления контроля поверхностного изгиба зон под влиянием адсорбированного кислорода, сопряженного с необходимостью постановки далеко не общедоступного метода измерения контактной разности потенциалов (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 антимонида галлия, легированного теллуридом цинка при соотношении (мол. %) GaSb:ZnTe=95:5, 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 (∆f) пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления О₂ (Р_О2). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида галлия, легированного теллуридом цинка (GaSb:ZnTe=95:5), 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 колебания ∆f.

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 О₂. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (GaSb)_0.95(ZnTe)_0.05 происходит избирательная адсорбция молекул О₂, 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 (∆f) от содержания кислорода (Р_О2), 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 области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода. Изобретение может быть использовано для экологического мониторинга. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика. Датчик микропримесей кислорода содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки антимонида галлия, легированного теллуридом цинка (GaSb)_0.95(ZnTe)_0.05, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительности известных датчиков. 2 ил.

Датчик микропримесей кислорода, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки антимонида галлия, легированного теллуридом цинка: GaSb:ZnTe=95:5, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.