RU2528118C1

RU2528118C1 - Semiconductor gas sensor

Info

Publication number: RU2528118C1
Application number: RU2013104409/28A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировская; Елена Олеговна Карпова
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-09-10
Also published as: RU2013104409A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: sensor contains a semiconductor base and a substrate, with the base being made of a polycrystalline film of cadmium sulphide, alloyed with zinc telluride, applied on the non-conducting substrate.

EFFECT: increase of the sensor 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 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.-287 с.). 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.-287 p .). 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 the determination is low.

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры //Соровский 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 до 200-400°С, 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 // Sorov 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 to 200-400 ° С, 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 ^- , О ^- 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 №2161794, МПК G01N 27/12, опубликовано 10.01.2007 г.).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 (Patent No. 2161794, IPC G01N 27/12, published January 10, 01 .2007).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении напыление металлических электродов и прямые адсорбционные измерения, являющиеся трудоемкими операциями.The disadvantage of this known device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of ammonia. In addition, the design of the sensor involves the deposition of metal electrodes and direct adsorption measurements, which are laborious operations, in its manufacture.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности изготовления датчика.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the sensor in the control of trace amounts of ammonia and increase the manufacturability of the sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и подложку, согласно заявляемому изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку. При этом исключаются операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких прямых адсорбционных измерений.The specified technical result is achieved by the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base and a substrate, according to the claimed invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline cadmium sulfide film doped with zinc telluride deposited on a non-conductive substrate. This excludes the operation of applying metal electrodes to the semiconductor base and time-consuming direct adsorption measurements.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - кривая зависимости величины рН изоэлектрического состояния поверхности (ρН_изо) полупроводников системы CdS-ZnTe, экспонированных на воздухе (а) и в атмосфере аммиака (б), от состава; 3 - градуировочная кривая зависимости изменения рН изоэлектрического состояния поверхности (ΔpН_изо) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH₃ (Р_NH3). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 presents the - design of the claimed sensor, Figure 2 - pH curve isoelectric surface state (ρN _iso) semiconductors CdS-ZnTe system exposed to air (a) and in ammonia atmosphere (b ), from the composition; 3 - calibration curve of the change in the pH of the isoelectric state of the surface (ΔpН _iso ) of the semiconductor base during adsorption at room temperature on 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 сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, и непроводящей подложки 2 (фиг.1).The sensor consists of a semiconductor base 1, made in the form of a polycrystalline film of cadmium sulfide doped with zinc telluride, and a non-conductive substrate 2 (figure 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на непроводящую подложку, и вызывающих изменение рН изоэлектрического состояния, а соответственно силы активных центров ее поверхности.The principle of operation of such a sensor is based on adsorption-desorption processes that occur on a semiconductor film deposited on a non-conductive substrate, and cause a change in the pH of the isoelectric state, and accordingly the strength of the active centers of its surface.

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(ZnTe) происходит избирательная адсорбция молекул NH] и изменения рН изоэлектрического состояния поверхности (ΔрН_изо). По величине изменения рН изоэлектрического состояния поверхности 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 CdS (ZnTe) semiconductor film, selective adsorption of NH] molecules and a change in the pH of the isoelectric state of the surface (ΔрН _iso ) occur. The magnitude of the change in the pH of the isoelectric state of the surface using the 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 ΔрН_изо от содержания аммиака (Р_NH3), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.From the analysis shown in Figure 3 a typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing _iso ΔrN dependence of ammonia (P _NH3), it follows that the claimed sensor with a substantial simplification of its manufacturing technology allows to determine the content of ammonia with sensitivity is several times greater than sensitivity of known sensors. A significant simplification of the manufacturing technology of the sensor is due to the exception of the operation of applying metal electrodes to the semiconductor base and laborious adsorption measurements.

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 film - adsorbent 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 gas sensor containing a semiconductor base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline cadmium sulfide film doped with zinc telluride deposited on a non-conductive substrate.