RU2641016C2

RU2641016C2 - Semiconductor sensor of ammonia trace substances

Info

Publication number: RU2641016C2
Application number: RU2016116674A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировская; Любовь Владимировна Новгородцева
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2018-01-15
Also published as: RU2016116674A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of gas analysis, in particular to detecting devices used for recording and changing the ammonia content. The sensor consists of a semiconductor base, executed in the form of a polycrystalline film gallium antimonide (1), and the substrate as which the electrode area (2) of quartz resonator (3) serves.

EFFECT: sensor according to the invention, with a significant simplification of the technology of its manufacture, allows to determine the content of ammonia with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. 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 amounts of ammonia. 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 determination is low.

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. 1998, №3. С. 75), позволяющий определять содержание аммиака с большой 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 ^-, 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 // Soros Educational Journal. 1998, No. 3. P. 75), which allows to determine the ammonia content with high 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 concentration of the gas being determined.

Ближайшим техническим решением к изобретению является полупроводниковый датчик влажности газов, состоящих из полупроводникового основания, выполненного в виде полукристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенным на ее поверхность металлическими электродами, и непроводящей подложки (Патент №2161794, М. Кл. G01N 27/12, опубликовано 10.01.2001).The closest technical solution to the invention is a semiconductor humidity sensor for gases, consisting of a semiconductor base made in the form of a semicrystalline film of zinc selenide doped with gallium arsenide, metal electrodes deposited on its surface, and a non-conductive substrate (Patent No. 2161794, M. C. G01N 27 / 12, published on January 10, 2001).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операции легирования и напыления металлических электродов.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 manufacture of alloying and deposition of metal electrodes during its manufacture.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности его изготовления.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 its manufacture.

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 антимонида галлия, 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 and a substrate, according to the claimed invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline gallium antimonide film, and the electrode is a piezoelectric crystal cavity.

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 электропроводности (Δσ_s) полупроводниковой пленки в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH₃

. Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The invention is illustrated by drawings, where are presented: in FIG. 1 - design of the inventive sensor, FIG. 2 is a temperature dependence of ammonia adsorption, FIG. 3 - calibration curve of the dependence of the change in electrical conductivity (Δσ _s ) of the semiconductor film in the process of adsorption at room temperature on the initial pressure NH ₃

. The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида 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 gallium antimonide, deposited on the electrode pad 2 of the piezoelectric crystal resonator 3 (Fig. 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его 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.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 NH₃ газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки GaSb 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 sensor is placed in a chamber at room temperature (it can be an ordinary glass tube) through which the gas analyzed for NH ₃ content is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the GaSb semiconductor film, 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 от содержания аммиака

, следует: заявляемый датчик позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Кроме того, существенно упрощается технология изготовления датчика, так как исключаются операции легирования полупроводникового основания и напыления на него металлических электродов.From the analysis of FIG. 3 typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of the change in conductivity on the ammonia content

follows: the inventive sensor allows you to determine the ammonia content with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors. In addition, the manufacturing technology of the sensor is greatly simplified, since the operations of doping a semiconductor base and deposition of metal electrodes on it are excluded.

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 (the working volume of less than 0.2 cm ³⁾ in combination with low-adsorbent film can reduce the weight sensor time constant of 10-20 ms.

Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статистическом, 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 statistical, but also in dynamic mode.

Claims

A semiconductor sensor of ammonia microimpurities, containing a base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline gallium antimonide film and the substrate is an electrode pad of a piezoelectric crystal.