Способ получения чувствительного элемента анализатора окиси углерода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/02 

сл С

Использование: техника газового анализа, в химической промышленности, горнодобывающей, тяжелой и др. Сущность изобретения; на диэлектрическую подложку наносятся контакты, на которые подается напряжение 20-25 В и производится осаждение полупроводникового слоя сульфида кадмия методом пульверизации на нагретую до температуры формирования полупроводникового слоя подложку, причем поверхность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 1010-1011 см 2. 1 ил

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано в анализаторах окиси углерода в кислородсодержащей атмосфере, в вакууме, в индифферентной газовой среде (например, в среде N2, Не и т.п.).

Известны электрохимические чувствительные элементы (ЧЭ) для регистрации СО (см. патент Японии № 53-52 365 Кацура Ма- caiAi, Такахаси Такаси, сборник Методы определения газообразных загрязнений в атмосфере - М., Наука, 1979, с. 240-249), действие которых основано на регистрации изменения электропроводности раствора Ва(ОН)а или NaOH, в котором растворена окись углерода, предварительно окисленная до С02.

Электрохимические ЧЭ включают два контакта, закрепленные на ячейке с раствором электролита, причем один из контактов изготовленный из платины, золота или се- ребра.выполняет функцию чувствительного

электрода, на котором происходит окисление СО до С02К недостаткам данных ЧЭ можно отнести

малый ресурс работы и сложность эксплуатации, обусловленные сменой электролита, необходимостью в стабилизации параметров элемента и степенью растворимости С02 в электролите,

низкую чувствительность и высокую интерференцию к анализируемым компонентам,

как следствие - значительную погрешность измерений,

большую инерционность срабатывания, обусловленную условиями эксплуатации

сложность конструкции ЧЭ

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ получения чувствительного элемента ( см патент Японии № 54-8120 нац кг 113 VI), включающего диэлектрическую подложку и

vi

VJ

сл о сл

NJ

полупроводниковый слои окиси г/огал я с нанесенными на ноге конта

К недостаткам ото го 43 мохно отнес i и

значительную инерционность ераб.тгыпмиия, т е. большоо времч переходных прпцессоп обусловленное юм ч го изменение

ЭЛРЮрОПрОВОДНОСТИ ЧЭ СПЛЧГШО ССбЪ«МНЬ - МИ Процессами, ПРОИООДЛЩППИ ПГЛС ДС

вне диффузии адсорбента в поопстую структуру окиси металла

пысокую .мюргорпкосгь,

высокую рабочую гемпорягуру 13 (700°К) ч как следствие, большую нсрго м- костьи существенную дс ррдяциш пярлмв - ров элемента,

невозможность регисгрчч -1(/ ячялизи- руемогг гачя Р иноржой гП мС Сфе лг г v дей сгсие ЧЭ основано нп рпмокл ал1т- . эффекте с участием атмосферною кислор-1да

Существенным недостатком данчих оперен юп является текло сложность техно- локти их изготовления связанная с непСтхо ДЦ| 10С|ЬЮ обеспечении высокой пористое ги полупроводниковою слоя а именно, смесь, входящую в по Пупройоднмкорый г пои fac- 6ci.T, С1РКЛОВОЛОКПО, цруен- с AlfOf )зн ) наносят на дсплекгричгскую подложку ме- годои tUJKyvMHOro нопы/.епня, грсбу;гнц;чо громоздкого и сложного с экспл а1сН ии ооорудовянпя после чсю i роизвод i азль- пэйшую грхпологНчсск/.о обраПптку дип- лектрическую поятожку мчгор|3г от для удаления поди а иги ПОР-л для пррпра юнмя MfOi tjT в Л1°()

ПрОДЛг1, .ОГ ОГО гвНИЯ ЯВччегся v Tl 3iioiiiu нся.осгагков протогчпа, я та, кт упгощу нпо ЧГ1 rt peav/m тате искл очигия из кичструкци ппгреьл- (елыюго ,

Поставлопная (/.сль/юстгас n;st юм.что на дмоя кгрччос ую поп/ о к- у и п ос псч кошакгь1 на чясрмс- подгзеи я нанрял нио i-10-2Ь ГЗ и пролаооим гсч ос:-1 чдение лол про- водникопоч пленю i кадмия мто дом пульвер/.личи ма подложку, ншротую до гемпературм прсгскапия осакннп формирования СЛ О Ч ПрПЧОМ H JIidD/s iOC1 ЛОГ руегся экцеторгюи . концентрацией 1010-Ш11 см2.

Новым, по сравнению с HDosoiMf 1 i,;u-- ляетсм го, что и прсдиагяспом к расомофо- нию способе получения ЧЭ на диолектрическуго подложку нлиог.чтся компакты, на коюрые наиряжеиио 20- 25 В и производится осзмдение полупроводиикопой пленки сульфида КРД- мпя методом пульчери.чацич ча подложку, нагрегую до температуры прогсканич реакции формирования слоя причеп noh(jpx

носгь слоя легируется акцепторной прию

И1

месью концентрацией 101и-10 . Концентрация заряженной поверхности примеси оценивалась по изменению сопропивления исходного полупроводникового слоя

Х меньшение концентрации легирую- КРМ примеси ниже 10 ° см приводит к не- Ч01,таточному формированию центров

0 адсорбции для окиси углерода. Увеличение поверхностной концентрации акцепторной примеси выше 1011 см 2 приводит к обрэзо- ианмю кластеров примеси на поверхности слоя зафиксированных методами электрон5 ногрзфического анализа на электронном микроскопе ЭМВ-ЮОАк.

Уменьшение энергетической глубины сэлеганип поверхностных уровней вследствие огого процесса приводит к уменьшению

0 двухорбитального чегырехэлектрониого взаимодействия валентной орбитали молекулы погерхностного адсорбционного центра )з соответствующей 5(7 -орбиталыо молекулярного терма окиси углерода и, как

5 следствие, к снижению донорно-акцептор- ного взаимодействия при хемосорбции,

Экспериментально установлено, что чувствительность к СО зависит от концентрации акцепторной примеси на поверхно0 сти образца и достигает максимального

значения концентрации 1010-1011 см 2. При

эгом образец проявляет чувствительность к

СО при комнатной температуре (300-ЗЮК).

Такое техническое решение позволяет

5 обеспечить следующие преимущества ЧЭ:

свести к минимуму инерционность сра- багываиия, т.к. хемосорбция молекул СО на полученных слоях происходит на геометрической поверхности, не затрагивая объем

0 пленки,

устранить деградацию параметров ана- лиоагора вследствие того, что при комнатной температуре (300-305°К), при которой р происходит преобразование структуры и

fG состава полупроводникового слоя,

понизить энергоемкость и упростить конструкцию ЧЭ, в результате отсутствия потребности R нагревательном элементе, расширить диапазон применения ЧЭ за

0 счет возможности регистрации эналияируе- г ого газа в инертной атмосфере или в вакууме, поскольку действие ЧЭ основано на обратимой хемосорбции газа на поверхности слоя без использования термокатзлити5 чгского эффекта,

упростить и удешевить технологию изготовления ЧЭ за счет того, что технологический npouecc проводится в нормальных атмосферных условиях, не требуя громоздкой и сложной в эксплуатации вакуумной аппаратуры.

Поликристаллические пленки, полученные описанным способом отличаются от слово, осажденных другими известными в настоящее время методами тем, что они являются мелкозернистыми с хорошо развитой поверхностью, что обеспечивает высокую эффективность протекании адсор- бционно-десорбционных процессов при низкой температуре. Подача напряжения 20-25В на контакты при напылении позволяет в процессе формирования слоя провести полевой дрейф легкоподвижных дефектов к межкристаллитным прослойкам и сформировать потенциальный рельеф пленки, оптимальный для хемосорбции окиси углерода.

Уменьшение напряжения ниже 20В приводит к значительному увеличению вре- мени установления стационарного состояния протекающих диффузионных процессов. Увеличение напряжения вызывает возрастание электропроводности вследствие протекающих диффузионных процессов, приьодящее к пробою образца.

Нагрев подложки до температуры протекания реакции формирования слоя позволяет обеспечить максимальную чистоту полупроводникового слоя ЧЭ с одновре- менным удалением побочных продуктов из зоны реакции.

Легирование поверхности образца ак- цептооной поимесью концентрацией 1010- 1011 см 2 создает дефекты, являющиеся центрами хемосорбции для СО.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется на предлагаемой схеме ЧЭ. Чувствительный элемент состоит из диэлектрической подложки 1 с нанесенными на нее контактами 2 и полупроводникового слоя 3 в виде пленки сульфида кадмия.

На кон (акты 2 подается разность потенциалов заданной величины,например, 20В, производится регистрация исходной элект- ропроводности пленки 3. Затем ЧЭ помещается в анализируемую смесь газов. Адсорбция окиси углерода приводит к изменению электропроводности полупроводниковой пленки. Регистрация изменения величины электропроводности позволяет судить о концентрации СО в анализируемой

смеси. Чувствительный элемент не требует нагрева для активации сорбционных процессов.

Технология изготовления ЧЭ заключается в том, что на диэлектрическую подложку 1 наносятся индиевые контакты 2, на которые подается напряжение 20-25В. Затем на нагретую до температуры формирования полупроводникового слоя подложку производится осаждение полупроводниковой пленки сульфида кадмия методом пульверизации. При этом под действием подаваемого на контакты напряжения, при повышенной температуре легкоподвижные ионы кадмия дрейфуют к мезеренным границам понижая поверхностный потенциал в этих областях, что увеличивает адсорбционную способность по отношению к СО. Уменьшение напряжения на контактах менее 20В при проведении полевого дрейфа приводит к резкому увеличению времени установления стационарного состояния, Увеличение напряжения стимулирует нарастание электропроводности за счет существенного роста подвижности носителей тока в результате понижения потенциала на границах кристаллитов, что приводит к разогреву и пробою образца.

На заключительном этапе поверхность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 10-10 см , что приводит к формированию на поверхности центров адсорбции для окиси углерода с малой энергией связи и определяет сорбционную чувствительность к СО при низких рабочих температурах.

Формула изобретения Способ получения чувствительного элемента анализатора окиси углерода, заключающийся в напылении на диэлектрическую подложку полупроводникового слоя и контактов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения инерционности срабатывания и деградации параметров, на диэлектрическую подложку наносятся контакты, на которые подается напряжение 20-25 В и производится осаждение полупроводникового слоя сульфида кадмия на нагретую до температуры формирования полупроводникового слоя подложку, причем поверхность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 1010-1011 .

pafek