RU2607733C1

RU2607733C1 - Semiconductor gas sensor of ammonia trace impurities

Info

Publication number: RU2607733C1
Application number: RU2015140380A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировская; Елена Валерьевна Миронова
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-01-10

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to gas analysis, in particular, to devices used for recording and measuring the content of ammonia trace impurities. Sensor includes a semiconductor base and a substrate. Semiconductor base is made from a polycrystalline film of indium antimonide doped with cadmium telluride – (InSb)_0.98(CdTe)_0.02, and the substrate used is an electrode pad of a piezocrystal resonator. Proposed sensor with considerable simplification of its manufacturing technology makes it possible to determine the content of ammonia with a sensitivity several times higher than that of existing sensors.

EFFECT: technical result is higher sensitivity and manufacturability of the sensor.

1 cl, 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 теплопроводности 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 невелика.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. ) 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 small.

Известен также полупроводниковый газовый датчик (Г.К. Будников. 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°C, 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 ^-, O^- 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 газа.Also known is a semiconductor gas sensor (GK 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 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 ^- , 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 gas concentration.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик монооксида углерода, состоящий из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами, и непроводящей подложки (Патент RU №2206083, М. кл. G01N 27/12, опубликовано 10.06.2003).The closest technical solution to the invention is a carbon monoxide sensor, consisting of a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc selenide, coated with metal electrodes, and a non-conductive substrate (Patent RU No. 2206083, M. CL G01N 27/12, published on 10.06. 2003).

Недостатком известного устройства является недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операцию напыления металлических электродов.A disadvantage of the known device is the lack of sensitivity in the control of trace amounts of ammonia. In addition, the design of the sensor involves the operation of spraying metal electrodes during its manufacture.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика, позволяющего определять содержание микропримесей аммиака в газовых смесях при комнатной температуре.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and manufacturability of the sensor, which allows to determine the content of trace amounts of ammonia in gas mixtures at room temperature.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, согласно заявляемому изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки антимонида индия, легированного теллуридом кадмия, 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 deposited on a non-conductive substrate, according to the claimed invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of indium antimonide doped with cadmium telluride, 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 изменения pH изоэлектрического состояния поверхности компонентов системы InSb-CdTe под влиянием аммиака, свидетельствующая о наибольшей к нему чувствительности компонента антимонида индия, легированного теллуридом кадмия, состава InSb_0,98CdTe_0,02; на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения электропроводности (Δσ) полупроводниковой пленки в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH₃ (P_NH3). Последняя наглядно демонстрирует ее чувствительность.The invention is illustrated by drawings, which are presented in FIG. 1 - design of the inventive sensor; in FIG. 2 - curve of the change in pH of the isoelectric state of the surface of the components of the InSb-CdTe system under the influence of ammonia, indicating the highest sensitivity to it of the component of indium antimonide doped with cadmium telluride, the composition InSb _0.98 CdTe _0.02 ; in FIG. 3 is a calibration curve of the dependence of the change in electrical conductivity (Δσ) of a semiconductor film during adsorption at room temperature on the initial pressure NH ₃ (P _NH3 ). The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида индия, легированного теллуридом кадмия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3.The sensor consists of a semiconductor base 1 made in the form of a polycrystalline film of indium antimonide doped with cadmium telluride deposited on the electrode pad 2 of the piezoelectric crystal 3.

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение ее электропроводности.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 electrical conductivity.

Работа датчика осуществляется следующим образом. Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают анализируемый газ на содержание NH₃. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки антимонида индия, легированного теллуридом кадмия состава InSb_0,98CdTe_0,02, происходит избирательная адсорбция молекул NH₃ и изменение электропроводности пленки. По величине изменения электропроводности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.The operation of the sensor is as follows. The sensor is placed in a chamber at room temperature (it can be an ordinary glass tube), through which the analyzed gas is passed for the content of NH ₃ . When the transmitted gas contacts the surface of the semiconductor film of indium antimonide doped with cadmium telluride of the composition InSb _0.98 CdTe _0.02 , selective adsorption of NH ₃ molecules and a change in the electrical conductivity of the film occur. The magnitude of the change in electrical conductivity 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 изменения электропроводности (Δσ) от содержания аммиака (P_NH3), следует: заявляемый датчик, при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков.From the analysis of FIG. 3 typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of the change in electrical conductivity (Δσ) on the ammonia content (P _NH3 ), follows: the inventive 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.

Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,3 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.Small dimensions of the device (working volume less than 0.3 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 sputtering 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 of ammonia impurities containing a semiconductor base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of indium antimonide doped with cadmium telluride, in the following ratio (mol.%): InSb: CdTe = 98: 2, and the electrode serves as a substrate piezoelectric resonator pad.