Способ определения состава газа Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГАЗА

1

Изобретение относится к газовому анализу, преимущественно полупроводниковому, и может быть использовано для анализа состава газа окружающей среды, контроля технологической среды и в различных областях промышленности, где требуется экспрессный газовый анализ.

Известен способ определения нескольких компонентов газовых смесей, основанный на разделении сигналов, соответствующих адсорбции различных молекул. Способ заключается в том, что изготавливают пять различных полупроводниковых датчиков из разного материала, каждый из которых реагирует на один сорт молекул, и включают в специальную электронную схему сравнения 1.

Недостатками этого способа являются необходимость экспериментального подбора состава полупроводника на определенную детектируемую компоненту и необходимость реконструировать прибор при переходе от одной газовой смеси к другой, состоящей из молекул других сортов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения состава газа, включающий внесение в исследуемую газовую среду поверхностно-ионного транзистора, приложение к его затвору электрического напряжения не

2

выше величины пробоя диэлектрика и измерение проводимости канала между стоком и истоком транзистора 2.

Известный способ определения наличия паров воды в газовой среде заключается в следующем.

В исследуемую среду вносят поверхностно-ионный транзистор. К его затвору прикладывают относительно подложки по10стоянное электрическое напряжение и измеряют изменение проводимости канала транзистора между диффузионными областями. При отсутствии в газовой среде влаги проводимость между диффузионными областями ничтожно мала. Появление в газо15вой среде молекул воды сопровол дается их адсорбцией на поверхности диэлектрика и образованием адсорбированной пленки влаги. Когда к металлическому электроду прикладывают достаточно большой элект20рический потенциал, происходит диссоциацня молекул воды на ионы. При этом отрицательные ионы удаляются от затвора, образуя область ионного заряда. Этот запяд

25 экранируется положительным зарядодМ, дырок, которые притягиваются к поверхности полупроводника и образуют инверсионный канал. Граница образовавшегося инверсионного аяоя перемещается в направлении 30 от затвора совместно с диффундирующими

ионами, так что через некоторое время этот слой достигает диффузионных р+ - областей и между ними начинает протекать электрический ток, т. ё. увеличивается электропроводность, что свидетельствует о наличии влаги. При этом проводимость возрастает во времени и достигает насыщения. По скорости нарастания сигнала можно судить о количественном содержании влаги в газовой среде.

Известный способ отличается простотой, а используемый в способе чувствительный элемент - поверхностно-ионный транзистор - отличается миниатюрностью, что позволяет использовать ,его для анализа влаги в небольших объемах. При изготовлении элемента не требуется применения новых технологических операций. Для реализации способа не нужен нагрев чувствительного элемента, в отличие от других известных способов, где используются полупроводниковые чувствительные элементы.

Недостатком способа является то, что с его помощью можно обнаружить только самые быстрые ионы, образующиеся при диссоциации воды, которые после достижения детектирующих р+-областей полностью открывают канал и делают невозможным наблюдение изменения тока канала, вызванного движением более медленных нонов, образованных после диссоциации других молекул.

Целью изобретения является повышение точности раздельной индикации компонентов газовой смеси, растворимых в воде.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения состава газа, включающем приложение к его затвору электрического напряжения не выше величины пробоя диэлектрика и измерение проводимости канала между стоком и истоком транзистора, исследуемую газовую среду предварительно насыщают влагой до образования сплошной пленки воды на поверхности транзистора, а к его затвору прикладывают импульс напряжения длительностью, не большей времени пробега расстояния от затвора к активной области наиболее подвижными ионами, после чего снимают зависимость проводимости канала от времени и по расположению максимумов этой зависимости на оси времени путем сравнения их с расположением максимумов на калибровочной кривой идентифицируют компоненты газовой среды.

Способ основан на эффекте пространственного разделения ионов, генерированных одиночным импульсом электрического поля, в пленке влаги. Сущность его заключается в следующем.

К электроду поверхностно-ионного транзистора прикладывают нмпульс электрического поля. При этом молекулы, растворенные в пленке влаги, диссоциируют на ионы, и вблизи э лектрода формируется волна заряженных частиц, которая вместе с волной экранируемых дырок у поверхности полупроводника перемещается вследствие диффузии по направлению от электрода и в некоторый момент времени достигает детектирующих областей. Если длительность импульса электрического поля (в известном способе оно стационарное) выбирать такой, .чтобы она не превышала времени пролета наиболее быстрыми ионами расстояния между затвором и р +-областями, то проводимость канала вначале возрастет, а затем после прохождения волны определенного сорта ионов будет спадать (в известном способе проводимость выходит на насыщение) . Скорость перемещения волны определяется коэффициентом диффузии соответствующих ионов, а зависимость проводимости канала от времени содержит ряд пиков с характерными для каждого сорта ионов, образовавшихся при диссоциации растворенных в пленке влаги молекул, временами максимумов. По числу наблюдаемых пиков можно судить о количестве сортов молекул в среде, а по высоте пиков - о их концентрации.

На фиг. 1 представлена схема используемого для определения состава транзистора; на фиг. ,2 и 3 - зависимости проводимости канала транзистора от времени для различных газов.

Транзистор содержит металлический электрод 1, установленный на слое диэлектрика 2, нанесенного на полупроводниковую подложку 3. Расстояние от края электрода 1, являющегося затвором, до края диффузионных областей 4, составляет 15 мкм.

Пример 1. Исследовалась газовая смесь, содержащая пары воды, этилового спирта и азотной кислоты.

При оптимальных условиях - относительной влажности 70%, величине импульса электрического потенциала, приложенного к затвору относительно подложки, -85. В, длительности импульса 3 с-была снята зависимость проводимости канала транзистора от времени, представленная на .фиг. .2 (кривая 5). Эта зависимость имеет три пика. Сравнение с калибровочными кривыми, снятыми при тех же условиях для заведомо известных компонентов (кривые б, 7), позволяет утверждать, что первый пик соответствует парам водьт, второй - парам азотной кислоты, третий - парам этилового спирта.

Пример 2. На фиг. 3 представлены зависимости проводимости канала от времени (смесь HaO + CaHsOH + HNOs) при ф -85 В для влажности 60% (/ 7 с; кривая 8) и влажности 40% (t 30 с; кривая 9).

Использование предлагаемого способа определения состава газа обеспечивает по сравнению с существующими способами. следующие преимущества: возможность

миниатюризации первичных измерительн1ых преобразователей аналитической техники; возможность проведения контроля среды обитания, -окружающей среды, промышленных выбросов без применения громоздких и дорогих приборов.

Формула изобретения

Способ определения состава газа, включающий внесение & исследуемую газовую среду поверхностно-ионного транзистора, приложение к его затвору электрического напряжения ие вып1е величины пробоя диэлектрика и измерение проводимости канала между стоком и истоком транзистора, отличающийся тем,.что, с целью повышения точности раздельной индикации компонентов, растворимых в воде, исследуемую газовую среду предварительно насыщают влагой до образования сплощной пленки

воды на поверхности транзистора, а к его затвору прикладывают импульс напряжения длительностью, не больщей времени пробега расстояния от затвора к активной области наиболее подвижными ионами, после чего снимают зависимость проводимости канала от времени и по расположению максимумов этой зависимости на оси времени путем сравнения их с расположением максимумов на калибровочной кривой идентифицируют компоненты газовой среды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1 Патент Франции № 2098575, кл. G 01 N 27/12, 1970.

2. Федорович Ю. В. и др. Миграция подвижных зарядов по поверхности различных

диэлектриков в МДП структуре. Микроэлектроника, 1973, т. 2, вып. 2, с. 159-165

(прототип).