Каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии Российский патент 2021 года по МПК G01N30/62 

Изобретение относится к газовой хроматографии и может быть использовано в хроматографических приборах как с наполненными, так и с капиллярными и микронасадочными разделительными колонками для определения содержания микропримесей в сложных смесях веществ природного и техногенного происхождения в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, медицине, биологии, экологии и др.

Известен полупроводниковый газоанализатор, содержащий полупроводниковое основание, выполненное из поликристаллической пленки селенида цинка, которая легирована селенидом кадмия, и подложку, в качестве которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака и других газов, (см.: Кировская И.А., Буданова Е.М., полупроводниковый газоанализатор, RU 2464553 С1, 2011.).

Также известен полупроводниковый газоанализатор кислорода, содержащий корпус с измерительной и сравнительной проточной камерами, снабженные входными и выходными штуцерами, в которых размещены соответственно измерительный и сравнительный транзисторы, подключенные к стабилизированному источнику электропитания, электронный усилитель, вход которого подключен к коллекторам транзисторов, а выход соединен с потенциометром, камеру для насыщения газа-носителя парами полярного углеводорода, снабженную входным и выходным штуцерами, стабилизатор расхода газа-носителя, выходной штуцер которого соединен с входным штуцером камеры для насыщения газа-носителя парами полярного углеводорода, и устройство для ввода пробы анализируемого газа, при этом камера для насыщения газа носителя парами полярного углеводорода выполнена в виде трубки, заполненной нафталином, (см.: Илясов Л.В.. Лаврухин А.С., Мякатин И.Д., Полупроводниковый газоанализатор кислорода, RU 187225 U1, 2018).

Известен полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода, который содержит полупроводниковое основание из поликристаллической пленки твердого раствора теллурида кадмия, легированного селенидом кадмия состава (CdSe)_0,5(CdTe)_0,5 и подложку - электродную площадку пьезокварцевого резонатора (см.: Кировская И.А., Букашкина Т.Л. Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода. RU 2610349 С1, 2015). Также известен полупроводниковый датчик диоксида азота, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка (ZnSe), которая нанесена на непроводящую подложку (см.: Кировская И.А., Эккерт А.О., Эккерт Р.В. Полупроводниковый датчик диоксида азота. RU 2697920 С1, 2019). Известные датчики при существенном упрощении технологии их изготовления позволяют определять содержание кислорода и диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков.

Недостатком известных полупроводниковых газоанализаторов и газовых датчиков является отсутствие селективности к различным типам газов.

Известен тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор, содержащий сформированный на подложке из теплоэлектроизолирующего материала газочувствительный элемент, средство нагрева упомянутого элемента, средства контроля температуры нагрева, электрические контакты, сформированные на противоположных концах газочувствительного элемента и присоединенный к ним с помощью проводников прибор для съема показаний, отличающийся тем, что средство нагрева газочувствительного элемента расположено в зоне одного электрического контакта, а средства контроля температуры расположены в зонах каждого электрического контакта, при этом в качестве прибора для съема показаний с электрических контактов использован вольтметр. Известный тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор может использоваться в конструкциях газочувствительных датчиков, работающих на принципе зависимости термо-ЭДС полупроводниковой структуры от качественного и количественного состава газовой среды, (см.: Лугин В.Г., Зарапин В.Г., Жарский И.М., тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор. RU 8805 U1, 1998.).

Известен полупроводниковый газоанализатор, который характеризуется повышенной точностью измерений при определении концентрации компонентов газовой смеси при изменении температуры окружающей среды (см.: Гусельников М.Э., Анищенко Ю.В., полупроводниковый газоанализатор, RU 100274 U1, 2010).

Известен полупроводниковый датчик газов, представляющий собой электроизолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, электродами для газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенную с металлокерамический корпус, отличающийся тем, что на подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, нанесены нагреватель и термодатчик, выполненные из пластины с подслоем титана в виде резисторов типа "Меандр" и электроды встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, изготовленные из того материала, а газочувствительный слой представляет собой пленку металлооксидного полупроводника, нанесенного на встречно-штыревые электроды, (см.: Рембеза С.И., Ащеулов Ю.Б., Свистова Т.В., Рембеза Е.С., Горлова Г.В., полупроводниковый датчик газов, RU 97106228 А, 1998.).

Недостатком известных изобретений является отсутствие селективности сразу к нескольким типам веществ.

Известен одноэлектродный газовый сенсор на основе окисленного титана (см.: Лашков А.В., Кочетков А.В., Васильков М.Ю., Сысоев В.В., Беляев И.В., Варежников А.С., Федоров Ф.С., Плугин И.А., Одноэлектродный газовый сенсор на основе окисленного титана, способ его изготовления, сенсорное устройство и мультисенсорная линейка на его основе, RU 2686878 С1, 2018). Известный одноэлектродный газовый сенсор изготовлен на основе титановой проволоки, которую согласно изобретению окисляют методом анодирования в электрохимической ячейке, чтобы сформировать мезопористый оксидный слой, состоящий из радиально-ориентированных упорядоченных нанотрубок TiO₂ с толщиной стенок до 20 нм и внутренним диаметром до 150 нм. Указанным способом получают одноэлектродный газовый сенсор, в котором в качестве нагревательного и измерительного электродов используют титановую проволоку диаметром 50-250 мкм, а каталитическим слоем служит мезопористый оксидный слой, состоящий из нанотрубок TiO₂. Данный одноэлектродный сенсор имеет отклик к органическим парам в виде изменения сопротивления при пропускании рабочего тока в диапазоне 80-200 мА. С целью селективного анализа газов на основе набора одноэлектродных газовых сенсоров, количеством не менее трех, составляют мультисенсорную линейку, векторный сигнал которой позволяет различить воздействие однотипных паров спиртов, например изопропанола и этанола.

Известен полупроводниковый детектор, например, для хроматографа, содержащий корпус, в котором размещен подключенный к источнику тока и включенный в измерительную схему транзистор, покрытый веществом, взаимодействующим с анализируемым компонентом, в качестве вещества, взаимодействующего с анализируемым компонентом, использован феррицианид металла. Проводимость трехслойной полупроводниковой структуры резко меняется под влиянием адсорбции, (см.: Салуквадзе Л.В., Нориков Ю.Д., Хасапов Б.Н., Покровская С.В., Буров В.А., Егоров Б.Н., Силахтарян Н.Т., полупроводниковый детектор, SU 949463 А1, 1982.).

К недостаткам известных изобретений можно отнести достаточно большие габариты, а также сложность конструкций устройств. Кроме того, известные изобретения характеризуются отсутствием селективности сразу к нескольким типам веществ.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и расширения спектра анализируемых веществ.

Эта задача решается за счет того, что каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде полупроводниковых резисторов, нанесенных на кремниевую подложку, термостатируемую при помощи планарного металлического резистора, нанесенного с обратной стороны подложки, при этом чувствительный элемент выполнен в виде нескольких последовательно расположенных чувствительных элементов, селективных к различным типам газов, а сам чувствительный элемент установлен во фторопластовый корпус с отверстиями, закрепленный с возможностью подачи и отвода элюата из хроматографической разделительной колонки.

При решении поставленной задачи создается технический результат, который заключается в повышении чувствительности измерения и расширению спектра анализируемых при помощи газовой хроматографии веществ.

Предлагаемый каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии характеризуется новой совокупностью существенных признаков, обеспечивающей достижение технического результата. Так, использование в качестве чувствительного элемента датчика MiCS-6814 позволяет значительно уменьшить уровень флуктуационных шумов и дрейф нулевого сигнала за счет компенсации влияния изменения различных параметров (температуры, расхода газа-носителя, напряжения питания и др.).

Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема каскадного полупроводникового детектора для газовой хроматографии. Каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии содержит рабочую камеру детектора 1, несколько последовательно расположенных чувствительных элементов 2, селективных к различным типам газов, выполненных в виде полупроводниковых резисторов, нанесенных на кремниевую подложку 3, термостатируемую при помощи планарного металлического резистора, нанесенного с обратной стороны подложки. В качестве подобного сенсора может использоваться датчик MiCS-6814 или его аналог, при этом датчик 2 устанавливается во фторопластовый корпус 4, через отверстия в котором подается и отводится элюат из хроматографической разделительной колонки.

Каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии работает следующим образом: элюат, выходящий из микронасадочной или капиллярной хроматографической колонки поступает через капилляр в рабочую камеру детектора 1. Определяемые компоненты в смеси с газом-носителем воздухом вступают во взаимодействие с чувствительными элементами 2, селективными к различным типам газов, выполненные в виде полупроводниковых резисторов, нанесенных на кремниевую подложку 3, термостатируемую при помощи планарного металлического резистора, нанесенного с обратной стороны подложки. При этом меняется проводимость чувствительных элементов.

Использование предлагаемого каскадного полупроводникового детектора для газовой хроматографии позволяет значительно повысить чувствительность и прецизионность количественных измерений при работе с капиллярными и микронасадочными колонками за счет снижения дрейфа нулевого сигнала, а также расширить спектр анализируемых методом газовой хроматографии веществ.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к газовой. Каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии содержит чувствительный элемент, выполненный в виде полупроводниковых резисторов, нанесенных на кремниевую подложку, термостатируемую при помощи планарного металлического резистора, нанесенного с обратной стороны подложки, чувствительный элемент выполнен в виде нескольких последовательно расположенных чувствительных элементов, селективных к различным типам газов, при этом чувствительный элемент установлен во фторопластовый корпус с отверстиями, закрепленный с возможностью подачи и отвода элюата из хроматографической разделительной колонки. Техническим результатом является повышение чувствительности измерения и расширение ряда анализируемых при помощи газовой хроматографии веществ. 1 ил.

Каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде полупроводниковых резисторов, нанесенных на кремниевую подложку, термостатируемую при помощи планарного металлического резистора, нанесенного с обратной стороны подложки, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде нескольких последовательно расположенных чувствительных элементов, селективных к различным типам газов, при этом чувствительный элемент установлен во фторопластовый корпус с отверстиями, закрепленный с возможностью подачи и отвода элюата из хроматографической разделительной колонки.