RU2398219C1

RU2398219C1 - Semiconductor gas analyser

Info

Publication number: RU2398219C1
Application number: RU2009120726/28A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировская (RU); Ираида Алексеевна Кировская; Екатерина Гаррьевна Шубенкова (RU); Екатерина Гаррьевна Шубенкова
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2010-08-27

Abstract

FIELD: chemistry. ^ SUBSTANCE: disclosed gas analyser has a semiconductor base made from a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc telluride, deposited on the electrode pad of a piezoelectric crystal resonator which serves as the substrate. ^ EFFECT: increased sensitivity of the sensor and its manufacturability. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака и других газов. Изобретение может быть использовано для решения задач экологического контроля.The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace elements of ammonia and other gases. The invention can be used to solve environmental control problems.

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). Однако чувствительность такого датчика (детектора) ограничивается на вещества с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа аммиака точность определения невысока.A known sensor (detector) for thermal conductivity, the action of which is based on the difference between the thermal conductivity of the vapor of the substance and the carrier gas (Vyakhirev D.A., Shushukova A.F. Guide to gas chromatography. M .: Higher school, 1987). However, the sensitivity of such a sensor (detector) is limited to substances with thermal conductivity close to the thermal conductivity of the carrier gas. For example, when using this sensor for ammonia analysis, the accuracy of determination is low.

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. 1998, №3. С.75), позволяющий определять содержание аммиака с большей чувствительностью. Однако он сложен по конструкции и механизму получения отклика на присутствие определяемого компонента: включает в качестве преобразователя-полупроводника оксид металла (SnO₂, In₂O₃, Nb₂O₅) и нанесенный на его поверхность адсорбционный слой специального материала, дающий названный отклик. Для получения отклика необходимы такие дополнительные операции, как нагревание оксида до 200-400°C, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов O₂ ^-, О^- и взаимодействием последних с определяемым газом (его окислением). Таким образом, электропроводность полупроводникового (оксидного) слоя в воздухе определяется не непосредственно содержанием определяемого газа, а степенью заполнения поверхности хемосорбированным кислородом, которая в свою очередь изменяется пропорционально концентрации определяемого газа.A sensor is also known (G.Budnikov. What are chemical sensors // Soros Educational Journal. 1998, No. 3. P.75), which allows to determine the ammonia content with greater sensitivity. However, it is complex in design and mechanism for obtaining a response to the presence of a determined component: it includes metal oxide (SnO ₂ , In ₂ O ₃ , Nb ₂ O ₅ ) as a semiconductor converter and an adsorption layer of a special material deposited on its surface, which gives the named response. To obtain a response, additional operations are necessary, such as heating the oxide to 200–400 ° C, since at room temperature it is an insulator and does not conduct electric current, chemisorption on the heated surface of atmospheric oxygen, accompanied by the formation of negatively charged ions O ₂ ^- , O ^- and the interaction of the latter with a defined gas (its oxidation). Thus, the electrical conductivity of the semiconductor (oxide) layer in the air is determined not directly by the content of the gas being determined, but by the degree of filling of the surface with chemisorbed oxygen, which in turn varies in proportion to the concentration of the gas being determined.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки (Патент РФ № 2161794. М. Кл. G01N 27/12, 25/56. 2001).The closest technical solution to the invention is a gas humidity sensor, consisting of a semiconductor base made in the form of a polycrystalline film of zinc selenide doped with gallium arsenide, with metal electrodes deposited on its surface and a non-conductive substrate (RF Patent No. 2161794. M. Cl. G01N 27 / 12, 25/56. 2001).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака.The disadvantage of this known device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of ammonia.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика.The objective of the invention is to increase the sensitivity and manufacturability of the sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и непроводящую подложку, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки антимонида индия, легированного теллуридом цинка, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.The specified technical result is achieved by the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base and a non-conductive substrate, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc telluride, and the electrode is a piezoelectric crystal cavity.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены: на фиг.1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - кривая зависимости величины адсорбции аммиака от температуры, на фиг.3 - градуировочная кривая зависимости изменения электропроводности (Δσ) полупроводниковой пленки в процессе адсорбции при температуре 30°C от начального давления NH₃(P_NHз). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The invention is illustrated by drawings, which show: in Fig. 1 - the design of the inventive sensor, in Fig. 2 - a curve of the dependence of the amount of ammonia adsorption on temperature, Fig. 3 - calibration curve of the change in electrical conductivity (Δσ) of the semiconductor film in the process of adsorption at temperature 30 ° C from the initial pressure of NH ₃ (P _NH3 ). The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида индия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на электродную площадку (2) пьезокварцевого резонатора 3 (фиг.1).The sensor consists of a semiconductor base 1 made in the form of a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc telluride deposited on the electrode pad (2) of the piezoelectric crystal 3 (Fig. 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его электропроводности.The principle of operation of such a sensor is based on adsorption-desorption processes occurring on a semiconductor film deposited on the electrode pad of a piezoelectric crystal, and causing a change in its electrical conductivity.

Работа датчика осуществляется следующим образом.The operation of the sensor is as follows.

Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают (или в которой выдерживают) анализируемый на содержание аммиака газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки InSb(ZnTe) происходит избирательная адсорбция молекул NH₃ и увеличение электропроводности пленки. По величине изменения электропроводности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.The sensor is placed in a chamber at room temperature (it can be an ordinary glass tube) through which the gas analyzed for ammonia content is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the InSb semiconductor film (ZnTe), selective adsorption of NH ₃ molecules and an increase in the electrical conductivity of the film occur. The magnitude of the change in electrical conductivity using calibration curves can determine the ammonia content in the test medium.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения электропроводности от содержания аммиака

, следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков [2, 3].From the analysis of a typical calibration curve shown in FIG. 3, obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of the change in conductivity on the ammonia content

follows: the claimed sensor with a significant simplification of the technology of its manufacture allows to determine the ammonia content with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors [2, 3].

Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,2 см³) в сочетании с малой массой пленки-адсорбента позволяют снизить постоянную датчика по времени до 10-20 мс.Small dimensions of the device (working volume less than 0.2 cm ³ ) in combination with a small mass of the adsorbent film can reduce the sensor constant in time to 10-20 ms.

Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.The design of the proposed sensor can also improve its other characteristics: speed, regenerability, the ability to work not only in static but also in dynamic mode.

Claims

A semiconductor gas sensor containing a semiconductor base and a non-conductive substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc telluride, and the substrate is an electrode pad of a piezoelectric crystal.