RU2281485C1

RU2281485C1 - Semiconductor gas sensor

Info

Publication number: RU2281485C1
Application number: RU2005105451/28A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировска (RU); Ираида Алексеевна Кировская; Александр Евгеньевич Земцов (RU); Александр Евгеньевич Земцов
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-08-10

Abstract

FIELD: gas analysis technologies, in particular, engineering of detecting devices, used for registration and measuring of content of micro-admixtures of ammonia and other gases, possible use in ecology.

SUBSTANCE: in sensor, containing semiconductor base and substrate, semiconductor base is made of polycrystalline film of cadmium sulfide, alloyed by gallium arsenide, and as substrate, electrode area of piezo-quartz resonator is utilized.

EFFECT: increased sensitivity and manufacturability of sensor.

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 [1] (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 [1] (Vyakhirev DA, Shushukova AF, 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 the analysis of ammonia, the accuracy of determination is low.

Известен также датчик [2] (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°, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов О₂ ^-, 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.Also known is a sensor [2] (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 it is an insulator at room temperature and does not conduct electric current, chemisorption on the heated surface of atmospheric oxygen, accompanied by the formation of negatively charged 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 [3] (Патент №2161794, М. кл. G 01 N 27/12, 25/56. 2001 / И.А. Кировская).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 [3] (Patent No. 2161794, M. C. G 01 N 27/12, 25/56. 2001 / I.A. Kirovskaya).

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 с нанесенными на его поверхность металлическими электродами и непроводящую подложку, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного арсенидом галлия, без нанесения на ее поверхность металлических электродов, 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 with metal electrodes deposited on its surface and a non-conductive substrate, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of cadmium sulfide doped with gallium arsenide without applying metal electrodes to its surface, and the substrate serves as an electrode pad of a piezoelectric crystal.

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 частоты колебания пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой (Δf) в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления

Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The invention is illustrated by drawings, which are shown in figure 1 - the design of the inventive sensor, figure 2 - curve of the magnitude of the adsorption of ammonia on temperature, figure 3 - calibration curve of the change in the frequency of oscillation of the piezoelectric crystal coated with a semiconductor film (Δf) in the adsorption process at room temperature from the initial pressure

The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного арсенидом галлия, 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 cadmium sulfide doped with gallium arsenide 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 кварцевого резонатора, и вызывающих изменение его массы, а соответственно частоты.The principle of operation of such a sensor is based on adsorption-desorption processes that occur on a semiconductor film deposited on the electrode pad of 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 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 CdS (GaAs) происходит избирательная адсорбция молекул NH₃, увеличение массы композиции "пленка - кварцевый резонатор" и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты 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 is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the semiconductor CdS (GaAs) film, selective adsorption of NH ₃ molecules occurs, the mass of the film – quartz resonator composition increases, and the vibration frequency of the latter changes. The magnitude of the frequency change 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 Δf 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]. 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. Кроме того, исключается операция напыления на полупроводниковое основание металлических электродов, что повышает технологичность изготовления датчика.From the analysis shown in figure 3 a typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of Δf on the ammonia content

follows: the claimed sensor with a significant simplification of its manufacturing technology allows to determine the ammonia content with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors [2, 3]. 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. In addition, the operation of deposition on the semiconductor base of metal electrodes is excluded, which increases the manufacturability of the sensor.

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 substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of cadmium sulfide doped with gallium arsenide, and the substrate is an electrode pad of a piezoelectric crystal.