RU2141639C1

RU2141639C1 - Piezoresonant gas humidity sensor

Info

Publication number: RU2141639C1
Application number: RU98110339A
Authority: RU
Inventors: И.А. Кировская; О.А. Федяева
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 1999-11-20

Abstract

FIELD: gas analyzers. SUBSTANCE: novelty is that known sensor incorporating substrate and semiconductor base has its substrate made of AT-cut piezoelectric crystal resonator and semiconductor base, of polycrystalline zinc selenide film deposited onto electrode pad of piezoelectric crystal resonator. EFFECT: improved sensitivity, facilitated manufacture, extended measurement range under static and dynamic conditions. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для измерения влажности различных газов. The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used to measure the humidity of various gases.

Известен адсорбционный датчик влажности газов, содержащий непроводящую подложку с нанесенным на ее поверхность влагочувствительным покрытием - монокристаллической автоэпитаксиальной пленкой арсенида галлия и металлическими токопроводящими контактами [1]. Known adsorption humidity sensor of gases, containing a non-conductive substrate with a moisture-sensitive coating deposited on its surface - a single-crystal auto-epitaxial gallium arsenide film and metal conductive contacts [1].

Однако чувствительность такого датчика невысока. Ближайшим техническим решением к заявляемому является датчик влажности газов, содержащий полуизолирующую подложку из арсенида галлия с нанесенной на поверхность пленкой эпитаксиального арсенида галлия, легированного теллуром, и металлические электроды [2]. However, the sensitivity of such a sensor is low. The closest technical solution to the claimed one is a gas humidity sensor containing a semi-insulating substrate of gallium arsenide with a tellurium doped epitaxial gallium arsenide film and metal electrodes [2].

Недостатком этого устройства является недостаточная чувствительность для контроля влажности газов и трудоемкость его изготовления, предупреждающего нанесение эпитаксиальной пленки на подложку и ее легирование (требуется разработка специальной сложной технологии). Кроме того, мал диапазон измерений микропримесей воды и измерение возможно только в статическом режиме. The disadvantage of this device is the lack of sensitivity to control the humidity of the gases and the complexity of its manufacture, preventing the deposition of epitaxial film on the substrate and its doping (requires the development of special complex technology). In addition, the measuring range of microimpurities of water is small and measurement is possible only in static mode.

Задачей изобретения является повышение чувствительности датчика, технологичности его изготовления и расширение диапазона измерений микропримесей воды, как в статическом, так и динамическом (проточном) режимах. The objective of the invention is to increase the sensitivity of the sensor, the manufacturability of its manufacture and the expansion of the measurement range of microimpurities of water, both in static and dynamic (flow) modes.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в известном датчике влажности газов, содержащем подложку и полупроводниковое основание, подложка выполнена из пьезокварцевого резонатора АТ-среза, а полупроводниковое основание - из поликристаллической пленки селенида цинка, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора. The problem can be solved due to the fact that in the known gas humidity sensor containing a substrate and a semiconductor base, the substrate is made of an AT-cut piezoelectric crystal resonator, and the semiconductor base is made of a polycrystalline zinc selenide film deposited on an electrode pad of a piezoelectric crystal.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена конструкция датчика, а на фиг. 2 - кривые, иллюстрирующие чувствительность известного (а) и заявляемого (б) датчиков. В первом случае о ней судят по изменению электропроводности полупроводника, а во втором - по изменению частоты кварцевого генератора. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the design of the sensor, and FIG. 2 are curves illustrating the sensitivity of known (a) and claimed (b) sensors. In the first case, it is judged by the change in the electrical conductivity of the semiconductor, and in the second, by the change in the frequency of the crystal oscillator.

Датчик представляет собой пьезокварцевый резонатор АТ-среза 1, на электродную площадку 2 которого нанесена адсорбирующая полупроводниковая (поликристаллическая) пленка ZnSe 3. Рабочий объем устройства менее 0.2 см³. (Малые габариты устройства в сочетании с малой массой адсорбента позволяют снизить постоянную по времени датчика до 10 - 20 мс).The sensor is an AT-cut piezoelectric quartz resonator 1, on the electrode pad 2 of which an adsorbing semiconductor (polycrystalline) ZnSe 3 film is deposited. The working volume of the device is less than 0.2 cm ³ . (The small dimensions of the device in combination with the low mass of the adsorbent can reduce the time constant of the sensor to 10 - 20 ms).

Принцип работы такого анализатора основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на кварцевый резонатор, и вызывающих изменение его массы и, соответственно, частоты. The principle of operation of such an analyzer is based on adsorption-desorption processes that occur on a semiconductor film deposited on a quartz resonator, and cause a change in its mass and, accordingly, frequency.

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

Датчик помещают в термостатируемую при 273 К камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают анализируемый на содержание влаги газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью пленки ZnSe происходит избирательная адсорбция молекул воды, увеличение массы композиции "пленка-кварцевый резонатор" и изменение частоты колебания последнего. По изменению частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание влаги в исследуемой среде. The sensor is placed in a thermostatically controlled chamber at 273 K (it can be an ordinary glass tube), through which the gas analyzed for moisture content is passed. Upon contact of the transmitted gas with the surface of the ZnSe film, selective adsorption of water molecules, an increase in the mass of the film-quartz resonator composition, and a change in the vibration frequency of the latter occur. By changing the frequency using calibration curves, you can determine the moisture content in the test medium.

Из сравнительного анализа градуировочных кривых, полученных с помощью устройства-прототипа и заявляемого датчика (см. фиг. 2а, б), следует, что заявляемый объект позволяет определять содержание паров воды (в газовых средах) с более высокой чувствительностью при расширении диапазона (0,01 - 0,22% и более). Кроме того, упрощается технология изготовления: отпадает необходимость в выполнении трудоемких и дорогостоящих операций по нанесению эпитаксиальной пленки на подложку (используется обычное вакуумное напыление) и ее легированию. From a comparative analysis of the calibration curves obtained using the prototype device and the inventive sensor (see Fig. 2a, b), it follows that the inventive object allows you to determine the content of water vapor (in gaseous media) with higher sensitivity when expanding the range (0, 01 - 0.22% or more). In addition, manufacturing technology is simplified: there is no need to perform laborious and expensive operations for applying an epitaxial film to a substrate (using conventional vacuum deposition) and its alloying.

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

Источники информации
1. Авторское свидетельство N 541137. М. Кл G 01 N 1/11. Бюл. N 48 - 76.Sources of information
1. Copyright certificate N 541137. M. Cl G 01 N 1/11. Bull. N 48 - 76.

2. Патент РФ N 1798672. М Кл. 4 G 01 N 27/22. 2. RF patent N 1798672. M Cl. 4 G 01 N 27/22.

Claims

A gas humidity sensor containing a substrate and a semiconductor base, characterized in that the substrate is made of an AT-cut piezoelectric crystal resonator, and the semiconductor base is made of a ZnSe polycrystalline film deposited on the electrode pad of the piezoelectric crystal.