Способ анализа газов Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

(5) СПОСОБ АНАЛИЗА ГАЗОВ

Изобретение относится к газоеоЯу анализу, в частности к газоанализаторам с твердотельными чувствительными элементами. Известны конструкции полупроводниковых чувствительных элементов (ЧЭ) для газовых детекторов, электропроводность которых изменяется при взаимодействии с анализируемыми газами. Такие устройства обычно представляют собой резистор, изготовленный, например, из порошков (поликристаллических пленок) окислов различных металлов и, как правило, включают нагреватель для поддержания заданной рабочей температуры, В некоторых конструкциях для увеличения чувствительности материал ЧЭ предварительно легируют раз личными примесями, в том числе - щелочными металлами рЗНаиболее близким техническим решением к изобретению является способ анализа газов по проводимости с использованием газового детектора на основе монокр1 сталлического кремния, заключающийся в подаче на поверхность нагретого до рабочей температурь детектора анализируемого газа и измерении проводимости монокристалла кремния, по величине которой су.цят о концентрации анализируемого компонента в газе. Преимущества кремния, как материала ЧЭ, связаны с высоким совершенством современной технологии выращивания и обработки его монокристаллов, что, в свою очередь, определяет хорошую воспроизводимость параметров детекторов, а также возможность совместного изготовления чувствительных элементов и других электронных узлов газовых детекторов в пределах единой интегральной схемы 2j. Однако чувствительность такого способа ограничена относительно низкой химической активностью данного полупроводника, а также наличием тонких пленок окислов и нитридов на 393 поверхности ЧЭ, уменьшающих эффектив ность адсорбции и препятст эующих про никновению анализируемых молекул к поверхности полупроводника. Цель изобретения - увеличение чучствительности анализа. Поставленная цель достигается тем что согласно способу анализа газов по проводимости с использованием газового детектора на основе монокристаллимеского кремния, заключающемуся в подаче на поверхность нагретого до рабочей температуры детектора анализируемого газа И измерении проводимое ти монокристалла кремния, по величине которой судят о концентрации анализируемого компонента в газе, перед подачей газа на поверхность монокрис талла кремния осаждают субмонослой атомов щелочного металла с плотностью не выше Ю ат/см с Температуру чувствительного элемента в процессе измерения стабилизируют в интер.вале 50-200 С Целочной металл активирует поверхность кремния в химическом и электрофизическом отношении, что приводит к уве личению чувствительности анализа при обеспечении указанных режимов работы ЧЭ. Нанесение металла (стадия активирования) изменяет электропроводность приповерхностных слоев полупро водника вследствие изменения потенци ала поверхности в результате ионизации атомов металла при адсорбции о На последующей стадии измерения химичес ки активные ионы металла взаимодействуют с молекулами анализируемых газов с образованием поверхностных атомно-молекулярных комплексов, что вызывает вторичное перераспределение зарядов на поверхности и, как следствие - изменение электропроводности, индуцированной на стадии активирования. Это вторичное изменение электропроводности является сигналом чувствительного элемента, который после усиления приводит в действие регистрирующие приборы. Плотность активирующего слоя щелочного металла ограничена сверху (10 ат/см) началом металлической проводимости покрытия, а снизу (10 ат/см) - падением чувствительности, вследствие уменьшения числа активных центров адсорбции молекул анализируемого газа на поверхности Ч Оптимальный период регистрации следу ет непосредственно за периодом активации,- а динамический диапазон и время непрерывной работы данного варианта ЧЭ определяются числом осажденных атомов металла и давлением газа. В процессе измерения температуру полупроводника поддерживают постоянной, с численным значением из диапазона 50-200 С, причем нижний предел обусловлен максимально допустимым значением постоянной времени устройства (меньше 10 мин), определяемой, в свою очередь, подвижностью ионов щелочного металла в окисной пленке и ее толщиной, а верхний предел - падением чувствительности, вследствие шунтирующего влияния собственной проводимости полупроводника о Например, в способе с использованием кремний-литиевого чувствительного элемента газового детектора, предназначенного для измерения низких парциальных давлений различных газов (хлора, кислорода, азота и др,) в вакууме, ЧЭ представляет собой резистор, изготовленный из высокоомного монокристалла в виде пластинки размером ТОО х 100 х 0,1 мкм- с двумя электрическими контактами на противоположных узких гранях. Температура элемента, равная 150 С, поддерживается постоянной с помощью внешнего нагревателя. Способ осуществляется следующим образом. В стадии активирования на приемную площадку ЧЭ (открытую часть поверхности резистора между контактами) методом термического испарения наносят субмонослой атомов лития, увеличивая исходную проводимость элемента, например, в 10 раз. В последующий рабочий период молекулы анализируемого газа, например кислорода, попадают на приемную площадку, взаимодействуют с ионами лития с образованием поверхностных комплексов (в примере оксида лития), что сопровождается уменьшением эффективного поверхностного заряда и уменьшением индуцированной проводимости ЧЭ, которое регистрируется соответствующим вторичным прибором с необходимой индикацией интеграла или интенсивности потока молекул анализируемого газа. Уменьшение размера чувствительного элемента до величины порядка микрометра не изменит основных эксплуатационных характеристик. Оптимизированный вариант детектора может иметь чувствительность не хуже 10 Па по отношению к азоту, кислороду и некоторым другим газам. Предлагаемый dnoco6 позволяет измерять парциональное давление остаточных газов в высоковакуумных системах, В экспериментах с атомными и молекулярными пучками спосрб с одним или матрицей таких чувствительных элементов может обеспечить рекордно высокое пространственное разрешение потоков нейтральных атомов и молекул низкой интенсивности. Высокая чувствительность способа позволяет измерять низкие парциальные .давления остаточных газов в вакууме в объемах малых размеров, например в объемах меньше 1 мм Л Формула изобретения Способ анализа газов по проводимости с использованием газового де.9 2 тектора на основе монокристаллического кремния, заключающийся в подаче на поверхность нагретого до рабочей температуры детектора анализируемого газа и измерении проводимости монокристалла кремния, по величине кото рой судят о концентрации анализируемого компонента в газе, о т л и чающийся тем. что, с целью повышения чувствительности анализа, перед подачей газа на поверхность монокристалла кремния осаждают-субмонослой атомов щелочного металле: с плотностью не выше 10 ат/см. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США If ОЭЗЗ, кл. G 01 N 27/02, опублик, 1977. 2,Патент США ГГ 3831А32, кл. 73-23, опублик. 197 (прототип).