RU2350937C1

RU2350937C1 - Detector of carbon oxide

Info

Publication number: RU2350937C1
Application number: RU2007130434/28A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировска (RU); Ираида Алексеевна Кировская; Оксана Тарасовна Тимошенко (RU); Оксана Тарасовна Тимошенко
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-03-27

Abstract

FIELD: physics, measurement.

SUBSTANCE: invention is related to the field of gas analysis and is designed for registration and measurement of carbon oxide. Detector comprises semiconducting base and substrate. Semiconducting base is made of polycrystal film of indium phosphide, and substrate is electrode platform of piezoelectric quartz resonator.

EFFECT: increase of detector sensitivity and manufacturability of its production.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода и других газов. Изобретение может быть использовано в экологии.The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and measuring the content of trace amounts of carbon monoxide and other gases. The invention can be used in ecology.

Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии теплопроводности паров вещества и газа-носителя (Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш. школа, 1987. - 287 с.) [1].A known sensor (detector) for thermal conductivity, the action of which is based on the difference in 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. - 287 p. ) [one].

Однако такой датчик (детектор) чувствителен только к веществам с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя.However, such a sensor (detector) is sensitive only to substances with thermal conductivity close to the thermal conductivity of the carrier gas.

Известен также полупроводниковый газовый датчик на основе оксида индия (In₂O₃), легированного оксидами щелочных металлов (Vamaura Hiro-yuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Vamazoe Nobom // J. Electrochem. Soc. - 1996. - V.43. N2. P.36-37) [2]. Он позволяет детектировать 6,7-0,05 Па СО во влажном воздухе при 300°С.Also known is a semiconductor gas sensor based on indium oxide (In ₂ O ₃ ) doped with alkali metal oxides (Vamaura Hiro-yuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Vamazoe Nobom // J. Electrochem. Soc. - 1996. - V .43. N2. P.36-37) [2]. It allows you to detect 6.7-0.05 Pa WITH in moist air at 300 ° C.

Недостатком данного устройства является его недостаточная чувствительность для контроля содержания оксида углерода, высокая рабочая температура - 300°С и трудоемкость его изготовления.The disadvantage of this device is its lack of sensitivity to control the content of carbon monoxide, a high working temperature of 300 ° C and the complexity of its manufacture.

Ближайшим техническим решением к изобретению является газовый датчик, состоящий из непроводящей подложки и поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами (патент РФ № 2206083, М.кл. 7 G01 № 2712) [3].The closest technical solution to the invention is a gas sensor, consisting of a non-conductive substrate and a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc selenide, with metal electrodes deposited on its surface (RF patent No. 2206083, Mcl 7 G01 No. 2712) [3].

Недостатком известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей оксида углерода и трудоемкость изготовления.A disadvantage of the known device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of carbon monoxide and the complexity of manufacturing.

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

Поставленная задача решена за счет того, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и подложку, согласно изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки фосфида индия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.The problem is solved due to the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base and a substrate, according to the invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline indium phosphide film, and the substrate is 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 оксида углерода 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 СО (Р_CO). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The invention is illustrated by drawings, where are presented in figure 1 - the design of the inventive sensor, figure 2 - curve of the magnitude of the adsorption of carbon monoxide on temperature, figure 3 - calibration curve of the change in the frequency of the oscillation of the piezoelectric crystal coated with a semiconductor film (Δf) in the process of adsorption at room temperature from the initial pressure of CO (P _CO ). The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки фосфида индия, 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 phosphide, deposited on the electrode pad (2) of the piezoelectric crystal resonator 3 (figure 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его массы, а соответственно частоты (Δf).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 mass and, accordingly, frequency (Δf).

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 оксида углерода газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки InP(CdS) происходит избирательная адсорбция молекул СО, увеличение массы композиции «пленка - кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание оксида углерода 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 carbon monoxide content is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the InP (CdS) semiconductor film, selective adsorption of CO 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 content of carbon monoxide in the test medium.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость Δf от содержания оксида углерода (Р_CO), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления (исключаются операции легирования полупроводникового основания и напыления на него металлических электродов) позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков [2, 3].From the analysis of the typical calibration curve shown in Fig. 3 obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of Δf on the carbon monoxide content (P _CO ), the inventive sensor with a significant simplification of its manufacturing technology (excludes the operation of alloying a semiconductor base and sputtering metal on it electrodes) allows you to determine the content of carbon monoxide with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors [2, 3].

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.

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

Claims

A carbon monoxide sensor comprising a semiconductor base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline indium phosphide film, and the electrode is a piezoelectric crystal cavity.