RU2059231C1

RU2059231C1 - Gas analyzer

Info

Publication number: RU2059231C1
Application number: RU92013776A
Authority: RU
Inventors: А.С. Виноградов; В.К. Гусев; Л.М. Морозова
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительных систем
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1996-04-27

Abstract

FIELD: gas analysis. SUBSTANCE: gas analyzer has silicon plate, onto which silicon oxide and nitride layers are formed sequentially, followed by heater, dielectric and gas-sensitive layers. Heater is made in form of a mesh with linear sizes of the cell being equal to IR-radiation wavelength, which corresponds to maximal value of absorption of molecules of the gas tested. EFFECT: improved precision. 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к устройствам для газового анализа и может быть использовано для определения газовой компоненты в самых различных областях народного хозяйства, таких как нефте- и газодобывающая промышленность, сельское хозяйство, медицина, в быту и т.д. The invention relates to devices for gas analysis and can be used to determine the gas component in various fields of the national economy, such as the oil and gas industry, agriculture, medicine, in everyday life, etc.

Известно устройство для селективного определения составляющих газовой смеси (1), содержащее несколько чувствительных элементов, изменяющих электропроводность при воздействии на них газов. Датчик может быть использован для селективного определения составляющих газовых смесей, если отдельные чувствительные элементы установлены на теплоизоляционной подложке и за счет выбора различных материалов и/или рабочих температур ориентированы на одну из составляющих газовой смеси. В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения компоненты чувствительных элементов расположены таким образом, что исследуемая газовая смесь направляется мимо чувствительных элементов в виде направленного потока. В результате ступенчатого распределения температуры чувствительных элементов в направлении газового потока обеспечивается дальнейшее повышение селективности газового датчика. Это происходит за счет того, что селективность газового анализатора сильно зависит от температуры, которая для каждого анализируемого газа должна быть определена индивидуально. Этим датчиком хорошо различаются газы, молекулы которых сильно отличаются по составу входящих в них химических элементов, как, например, окислы, и горючие газы. В случае же газов, состоящих из одинаковых химических элементов, например, Н₂, СН₄, С₂Н₆ и т.д. этот датчик обладает очень низкой разрешающей способностью. Кроме того, реализация этого датчика достаточно сложна, так как требуется не просто градиент температур, определяемый условиями нагрева и охлаждения теплоизолирующей подложки, а определение и поддержание температуры каждого чувствительного элемента на заданном уровне.A device for the selective determination of the components of the gas mixture (1), containing several sensitive elements that change the electrical conductivity when exposed to gases. The sensor can be used to selectively determine the components of gas mixtures if individual sensitive elements are installed on a heat-insulating substrate and are oriented to one of the components of the gas mixture due to the choice of various materials and / or operating temperatures. In accordance with a preferred embodiment, the components of the sensing elements are arranged so that the test gas mixture is directed past the sensing elements in the form of a directed flow. As a result of the stepwise temperature distribution of the sensing elements in the direction of the gas flow, a further increase in the selectivity of the gas sensor is provided. This is due to the fact that the selectivity of the gas analyzer strongly depends on the temperature, which must be determined individually for each analyzed gas. This sensor distinguishes gases whose molecules differ greatly in the composition of their chemical elements, such as oxides and combustible gases. In the case of gases consisting of the same chemical elements, for example, H ₂ , CH ₄ , C ₂ H ₆ , etc. This sensor has a very low resolution. In addition, the implementation of this sensor is quite complicated, since it requires not just a temperature gradient determined by the conditions of heating and cooling of the insulating substrate, but the determination and maintenance of the temperature of each sensitive element at a given level.

Известен датчик (2) с одним чувствительным элементом и индивидуальным нагревателем, который селективно реагирует на один газ в смеси (например, взрывоопасный газ водород или метан в воздухе). Чувствительный слой данного датчика выполнен из SnO₂, а нагреватель расположен на обратной стороне пластины. Датчик имеет максимальную чувствительность по водороду при температуре 140^оС и совершенно не реагирует на метан при одинаковой с водородом концентрации. Недостатком датчика является ухудшение селективности при повышении температуры. Так в случае обнаружения метана (оптимальная температура 450^оС) датчик также будет реагировать на водород и другие горючие газы. Кроме того, расположение нагревателя с другой стороны пластины требует более высокого потребления энергии и не обеспечивает необходимой точности поддержания температуры.A known sensor (2) with one sensor element and an individual heater that selectively reacts to one gas in a mixture (for example, explosive gas hydrogen or methane in air). The sensitive layer of this sensor is made of SnO ₂ , and the heater is located on the back of the plate. The sensor has a maximum sensitivity to hydrogen at a temperature of 140 ^{° C} and did not react with the same methane concentration with hydrogen. The disadvantage of the sensor is the deterioration of selectivity with increasing temperature. Thus, in the case of methane (optimal temperature 450 ° ^C) sensor would also respond to hydrogen and other combustible gases. In addition, the location of the heater on the other side of the plate requires a higher energy consumption and does not provide the necessary accuracy of temperature maintenance.

Наиболее близким к заявляемому является датчик (3), который изготовлен на кремниевой пластине и включает в себя последовательно сформированные на ней слои с окислом и нитридом кремния, слои нагревателя, диэлектрика и газочувствительного слоя. Одновременно с нагревателем в виде меандра внутри него сформировано термосопротивление. Такая конструкция датчика позволяет более точно поддерживать температуру на необходимом уровне и значительно уменьшить тепловые потери. Недостатком такого датчика является ухудшение селективности при повышении температуры. Так в случае обнаружения метана (оптимальная температура 450^оС) датчик также будет реагировать на водород и другие горючие газы.Closest to the claimed one is a sensor (3), which is made on a silicon wafer and includes layers with silicon oxide and silicon nitride sequentially formed on it, layers of a heater, a dielectric, and a gas-sensitive layer. Simultaneously with the heater in the form of a meander, a thermal resistance is formed inside it. This design of the sensor allows you to more accurately maintain the temperature at the required level and significantly reduce heat loss. The disadvantage of this sensor is the deterioration of selectivity with increasing temperature. Thus, in the case of methane (optimal temperature 450 ° ^C) sensor would also respond to hydrogen and other combustible gases.

Цель повышение избирательности газочувствительного слоя к компонентам газовой среды. The goal is to increase the selectivity of the gas-sensitive layer to the components of the gaseous medium.

Цель достигается тем, что в газовом анализаторе, содержащем кремниевую пластину, на которой последовательно сформированы слои оксида и нитрида кремния, слой нагревателя, слой диэлектрика и газочувствительный слой, нагреватель выполнен в виде решетки с линейными размерами элементов, равными длине волны ИК-излучения, соответствующей максимуму поглощения молекул анализируемого газа. The goal is achieved in that in a gas analyzer containing a silicon wafer on which silicon oxide and nitride layers, a heater layer, a dielectric layer and a gas sensitive layer are successively formed, the heater is made in the form of a grating with linear element sizes equal to the infrared wavelength corresponding to maximum absorption of the analyzed gas molecules.

Предлагаемый газоанализатор, в котором нагреватель выполнен в виде двумерной решетки с линейными размерами элементов, равными длине волны ИК-излучения, поглощаемого молекулами данного газа, позволяет выделить необходимую длину волны излучения за счет торможения фононов на границах элементов. The proposed gas analyzer, in which the heater is made in the form of a two-dimensional lattice with linear dimensions of the elements equal to the wavelength of infrared radiation absorbed by the molecules of this gas, allows you to select the necessary radiation wavelength due to the phonon drag at the boundaries of the elements.

При воздействии на газовую атмосферу ИК-излучения с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения молекул анализируемого газа, происходит возбуждение колебательных и вращательных уровней молекул, ее диссоциация, ионизация и образование радикалов. Появляется большое число частиц, активно взаимодействующих с поверхностью полупроводника и резко меняющих его электропроводность. Другие газы при этом либо не возбуждаются, или возбуждаются в значительно меньшей степени, так как длина волны излучения, поглощаемая данным газом, определяется его химической природой. When exposed to a gaseous atmosphere, infrared radiation with a wavelength corresponding to the maximum absorption of the molecules of the analyzed gas, the vibrational and rotational levels of the molecules are excited, its dissociation, ionization and radical formation. A large number of particles appear, actively interacting with the surface of the semiconductor and dramatically changing its electrical conductivity. In this case, other gases are either not excited, or are excited to a much lesser extent, since the wavelength of radiation absorbed by this gas is determined by its chemical nature.

На чертеже изображен газовый анализатор, где цифрами обозначено: 1 контактные площадки; 2 рельеф на окисле; 3 резистивный слой; 4 нитрид кремния; 5 межслойная изоляция (окисел кремния); 8 чувствительный слой (оксид олова); 7 окисел кремния; 8 пластина кремния. The drawing shows a gas analyzer, where the numbers indicate: 1 pads; 2 relief on oxide; 3 resistive layer; 4 silicon nitride; 5 interlayer insulation (silicon oxide); 8 sensitive layer (tin oxide); 7 silicon oxide; 8 silicon plate.

Устройство имеет размеры в плане 2,7х2,7 мм и состоит из пластины 8 кремния, на которой последовательно сформированы изоляционные слои из окисла и нитрида кремния 7, рельеф 2 из окисла кремния, резистивный слой 3 из пермалоя, межслойная изоляция 5 из окисла кремния, чувствительный слой 6 из оксида олова и контактные площадки 1 из золота. The device has dimensions in the plan of 2.7x2.7 mm and consists of a silicon wafer 8 on which insulating layers of silicon oxide and silicon nitride 7 are formed sequentially, relief 2 of silicon oxide, resistive layer 3 of permaloy, interlayer insulation 5 of silicon oxide, sensitive layer 6 of tin oxide and the contact pads 1 of gold.

П р и м е р 1. Газоанализатор на метан содержит пластину кремния, на которой сформирована мембрана, состоящая из двукратно чередующихся слоев SiO₂ толщиной 2,5 мкм, слоя S₃N₄ толщиной 0,5 мкм, нагревателя из пермалоя, межслойной изоляции из слоя SiO₂ толщиной 2,5 мкм и слоя Si₃N₄ толщиной 0,5 мкм и чувствительного слоя SnO₂ толщиной 0,1-0,2 мкм и золотых контактов к нагревателю и чувствительному слою. На той же мембране был сформирован и термодатчик (термосопротивление), позволяющий контролировать температуру газоанализатора. В прототипе нагреватель был сформирован в виде короткого меандра (буква П), его размеры определялись площадью, которую необходимо было нагреть, и необходимостью получения определенного электросопротивления.Example 1. A methane gas analyzer contains a silicon plate on which a membrane is formed, consisting of two alternating layers of SiO ₂ 2.5 μm thick, a S ₃ N ₄ layer 0.5 μm thick, a permaloy heater, interlayer insulation from a SiO ₂ layer with a thickness of 2.5 μm and a Si ₃ N ₄ layer with a thickness of 0.5 μm and a sensitive SnO ₂ layer with a thickness of 0.1-0.2 μm and gold contacts to the heater and the sensitive layer. A thermal sensor (thermal resistance) was also formed on the same membrane, which made it possible to control the temperature of the gas analyzer. In the prototype, the heater was formed in the form of a short meander (letter P), its dimensions were determined by the area that needed to be heated, and the need to obtain a certain electrical resistance.

Результаты определения избирательности датчика на метан Т 450^оС представлены в табл.1.The results of determining the selectivity of the sensor for methane T 450 ^о С are presented in Table 1.

Как видно из таблицы, избирательность составляет величину более 100, в то время как у датчика, изготовленного по прототипу, оно составляет примерно 20. As can be seen from the table, the selectivity is more than 100, while the sensor made according to the prototype, it is approximately 20.

П р и м е р 2. Датчик на сероводород Н₂S имел конструкцию описанного выше датчика на метан и был изготовлен таким же способом, что и датчик на метан. Длина волны излучения, максимально поглощаемая Н₂S, составляет 6,7 мкм, поэтому нагреватель был выполнен в виде квадратов с длиной стороны, равной 6,7 мкм.PRI me R 2. The sensor for hydrogen sulfide H ₂ S had the design of the sensor described above for methane and was manufactured in the same way as the sensor for methane. The radiation wavelength absorbed to the maximum by H ₂ S is 6.7 μm, so the heater was made in the form of squares with a side length of 6.7 μm.

Максимальный отклик датчик на сероводород имеет при температуре 160^оС. Результаты исследований представлены в табл.2.Maximum response to hydrogen sulfide sensor has a temperature ^of 160 C. The results are summarized in Table 2.

Результаты определения избирательности датчика на сероводород при Т 160^оС представлены в табл.2.Determination results of selectivity to hydrogen sulphide sensor 160 at T ^{° C} shown in Table 2.

Как видно из табл.2, избирательность датчика на сероводород по отношению к метану составляет величину более 130. У датчика, изготовленного по прототипу, не более 30. As can be seen from table 2, the selectivity of the sensor for hydrogen sulfide in relation to methane is more than 130. The sensor made according to the prototype, no more than 30.

Claims

A GAS ANALYZER containing a silicon wafer on which silicon oxide and nitride layers are successively formed, a heater layer, a dielectric layer and a gas sensitive layer, characterized in that the heater is made in the form of a grating with linear element sizes equal to the infrared wavelength corresponding to the absorption maximum molecules of the analyzed gas.