RU2697920C1 - Semiconductor nitrogen dioxide sensor - Google Patents
Semiconductor nitrogen dioxide sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2697920C1 RU2697920C1 RU2019108183A RU2019108183A RU2697920C1 RU 2697920 C1 RU2697920 C1 RU 2697920C1 RU 2019108183 A RU2019108183 A RU 2019108183A RU 2019108183 A RU2019108183 A RU 2019108183A RU 2697920 C1 RU2697920 C1 RU 2697920C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nitrogen dioxide
- sensor
- semiconductor
- semiconductor base
- dioxide sensor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота (NO2). Изобретение может быть использовано для решения задач экологического контроля.The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detection devices used for recording and measuring the content of trace elements of nitrogen dioxide (NO2). 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 диоксида азота 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 analysis of nitrogen dioxide, the accuracy of determination is low.
Известен также датчик (сенсор) диоксида азота, состоящий из подложки, выполненной из поликристаллического Al2O3, чувствительного слоя в виде тонкой пленки из нанокристаллического диоксида олова, в который дополнительно введены наночастицы оксида никеля и золота, и платиновых электродов (Патент RU№ 2464554 М. кл. G01N 27/12, опубл. 20.10.2012). Газовый сенсор для индикации диоксида азота/А.М. Гаськов, М.Н. Румянцева, 2012), позволяющий определять содержание диоксида азота с большей чувствительностью, но имеющий ряд недостатков.Also known is a sensor (sensor) of nitrogen dioxide, consisting of a substrate made of polycrystalline Al2O3, a sensitive layer in the form of a thin film of nanocrystalline tin dioxide, in which nanoparticles of nickel oxide and gold, and platinum electrodes are additionally introduced (Patent RU No. 2464554 M. cl G01N 27/12, published on October 20, 2012). Gas sensor for indicating nitrogen dioxide / A.M. Gaskov, M.N. Rumyantseva, 2012), which allows determining the content of nitrogen dioxide with greater sensitivity, but having a number of disadvantages.
Недостатками известного устройства являются низкая селективность по отношению к NO2 (проявляет чувствительность и к СО), сложность конструкции, относительно высокая (по сравнению с комнатной) рабочая температура (125-200 °С), использование драгоценных металлов (Au, Pt), длительность и трудоемкость (сложность) его изготовления: формирование пленки чувствительного элемента происходит в несколько стадий, включая получение геля оловянной кислоты, промывку и сушку, модификацию поверхности диоксида олова золотом и оксидом никеля, сушку и последующую прокалку в температурном режиме: 80°С - 24 ч., 120°С - 10 ч., 160°С - 10 ч., 200°С - 10 ч., 300°С - 10 ч. и 350°С - 24 ч., нанесение платиновых электродов. Осуществление такого способа изготовления газового сенсора, отличающегося многостадийностью технологических операций, сопряжено с большими временными затратами.The disadvantages of the known device are low selectivity with respect to NO 2 (exhibits sensitivity to CO), design complexity, relatively high (compared to room temperature) working temperature (125-200 ° C), the use of precious metals (Au, Pt), duration and the complexity (complexity) of its manufacture: the formation of the film of the sensitive element occurs in several stages, including the production of tin acid gel, washing and drying, modifying the surface of tin dioxide with gold and nickel oxide, drying and subsequent temperature calcination: 80 ° С - 24 hours, 120 ° С - 10 hours, 160 ° С - 10 hours, 200 ° С - 10 hours, 300 ° С - 10 hours and 350 ° С - 24 h., the application of platinum electrodes. The implementation of this method of manufacturing a gas sensor, characterized by multi-stage technological operations, is associated with large time costs.
Ближайшим техническим решением к изобретению (прототипом) (патент RU №2437087, опубл.20.12.2011г.) является газовый датчик, состоящий из полупроводникового основания, выполненного из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного сульфидом кадмия, и подложки, которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.The closest technical solution to the invention (prototype) (patent RU No. 2437087, publ. 20.12.2011) is a gas sensor consisting of a semiconductor base made of a polycrystalline film of indium antimonide doped with cadmium sulfide and a substrate, which serves as the electrode pad of a piezoelectric crystal .
Недостатками такого устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей диоксида азота. Кроме того, конструкция устройства предусматривает в процессе его изготовления разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля и сам процесс легирования антимонида индия; операции напыления металлических электродов и прямых адсорбционных измерений.The disadvantages of this device is its lack of sensitivity in the control of trace amounts of nitrogen dioxide. In addition, the design of the device provides for the development of a special technology, mode, temperature control program and the process of doping indium antimonide in its manufacturing process; deposition of metal electrodes and direct adsorption measurements.
Техническим результатом изобретения является создание датчика, характеризующегося повышенной чувствительностью и технологичностью его изготовления.The technical result of the invention is the creation of a sensor characterized by increased sensitivity and manufacturability of its manufacture.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки селенида цинка, нанесенной на непроводящую подложку.The specified technical result is achieved by the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base deposited on an electrode pad of a piezoelectric crystal according to the invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of zinc selenide deposited on a non-conductive substrate.
Сущность изобретения поясняется чертежом и таблицей, где представлены:The invention is illustrated in the drawing and table, which presents:
на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика;in FIG. 1 - design of the inventive sensor;
на фиг. 2 - градуировочная кривая зависимости изменения pH изоэлектического состояния поверхности (∆pHизо) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NO2 (PNO2);in FIG. 2 - calibration curve of the change in the pH of the isoelectric state of the surface (∆pH iso ) of the semiconductor base during adsorption at room temperature on the initial pressure NO 2 (P NO2 );
в таблице - данные по влиянию диоксида азота на pH изоэлектрического состояния поверхности (∆pHизо) селенида цинка.in the table - data on the effect of nitrogen dioxide on the pH of the isoelectric state of the surface (∆pH iso ) of zinc selenide.
Таблица демонстрирует заметное влияние диоксида азота на pHизо поверхности полупроводникового основания - поликристаллической пленки селенида цинка, а градуировочная кривая наглядно указывает на высокую чувствительность полупроводникового основания к диоксиду азота.The table shows the noticeable effect of nitrogen dioxide on the pH of the surface of a semiconductor base - a polycrystalline film of zinc selenide, and the calibration curve clearly indicates the high sensitivity of the semiconductor base to nitrogen dioxide.
Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки ZnSe, и непроводящей подложки 2 (фиг.1).The sensor consists of a
Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на непроводящую подложку, и вызывающих изменение pH изоэлектрического состояния и, 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 диоксида азота газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки ZnSe происходит избирательная адсорбция молекул NO2 и изменение pH изоэлектрического состояния поверхности. С помощью градуировочных кривых можно определить содержание диоксида азота 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 nitrogen dioxide is passed (or in which it is held). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the ZnSe semiconductor film, selective adsorption of NO 2 molecules and a change in the pH of the isoelectric state of the surface occur. Using calibration curves, you can determine the content of nitrogen dioxide in the test medium.
Из анализа приведенной на фиг. 2. типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ∆pHизо от содержания диоксида азота (PNO2), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля, самого процесса легирования полупроводникового основания, а также исключением операций нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.From the analysis of FIG. 2. typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing iso dependence ΔpH of nitrogen dioxide (P NO2), it follows that the claimed sensor with a substantial simplification of its manufacturing technology allows to determine the content of nitrogen dioxide with a sensitivity higher than in the known sensitivity several times sensors. A significant simplification of the manufacturing technology of the sensor is due to the exception of the development of a special technology, mode, temperature control program, the process of doping the semiconductor base itself, as well as the exception of the operations 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 характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.The design of the inventive sensor can also improve other characteristics: speed, regenerability, the ability to work not only in static but also in dynamic mode.
ТаблицаTable
Значения pH изоэлектрического состояния поверхности селенида цинка при различной обработке поверхностиPH values of the isoelectric state of the surface of zinc selenide during various surface treatments
ТаблицаTable
цинкаPH values of the isoelectric state (pH iso ) of the surface of selenide
zinc
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019108183A RU2697920C1 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Semiconductor nitrogen dioxide sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019108183A RU2697920C1 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Semiconductor nitrogen dioxide sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2697920C1 true RU2697920C1 (en) | 2019-08-21 |
Family
ID=67733696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019108183A RU2697920C1 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Semiconductor nitrogen dioxide sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2697920C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU219029U1 (en) * | 2022-12-13 | 2023-06-22 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Ultra-sensitive toxic gas sensor based on low-dimensional materials |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2274853C1 (en) * | 2004-07-12 | 2006-04-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Nitrogen dioxide indicator |
RU2274854C1 (en) * | 2004-08-03 | 2006-04-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Piezo-resonance gas indicator |
JP3845741B2 (en) * | 1997-01-20 | 2006-11-15 | 大阪瓦斯株式会社 | Nitrogen oxide detection method and sensor element for nitrogen oxide detection |
RU2437087C2 (en) * | 2008-04-24 | 2011-12-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Gas sensor |
RU2462554C1 (en) * | 2011-02-24 | 2012-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭКОсервис-Нефтегаз" | Diverting device to install booms on rivers with quick stream |
RU2636411C1 (en) * | 2016-07-19 | 2017-11-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Nitrogen dioxide sensor |
-
2019
- 2019-03-21 RU RU2019108183A patent/RU2697920C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3845741B2 (en) * | 1997-01-20 | 2006-11-15 | 大阪瓦斯株式会社 | Nitrogen oxide detection method and sensor element for nitrogen oxide detection |
RU2274853C1 (en) * | 2004-07-12 | 2006-04-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Nitrogen dioxide indicator |
RU2274854C1 (en) * | 2004-08-03 | 2006-04-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Piezo-resonance gas indicator |
RU2437087C2 (en) * | 2008-04-24 | 2011-12-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Gas sensor |
RU2462554C1 (en) * | 2011-02-24 | 2012-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭКОсервис-Нефтегаз" | Diverting device to install booms on rivers with quick stream |
RU2636411C1 (en) * | 2016-07-19 | 2017-11-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Nitrogen dioxide sensor |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
RU 2462554 C1. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU219029U1 (en) * | 2022-12-13 | 2023-06-22 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) | Ultra-sensitive toxic gas sensor based on low-dimensional materials |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2398219C1 (en) | Semiconductor gas analyser | |
RU2526225C1 (en) | Gas sensor | |
RU2561019C1 (en) | Semiconductor nitrogen dioxide analyser | |
RU2350936C1 (en) | Semiconducting gas analyser | |
RU2565361C1 (en) | Semiconductor carbon monoxide gas analyser | |
RU2530455C1 (en) | Nanosemiconductor gas sensor | |
RU2548049C1 (en) | Semi-conductor gas analyser of carbon monoxide | |
RU2400737C2 (en) | Ammonia trace contaminant detector | |
RU2469300C1 (en) | Semiconductor gas analyser | |
RU2423688C1 (en) | Nano-semiconductor gas analyser | |
RU2437087C2 (en) | Gas sensor | |
RU2697920C1 (en) | Semiconductor nitrogen dioxide sensor | |
RU2724290C1 (en) | Nitrogen dioxide gas analyzer | |
RU2636411C1 (en) | Nitrogen dioxide sensor | |
RU2745943C1 (en) | Nitrogen dioxide sensor | |
RU2750854C1 (en) | Semiconductor nitrogen dioxide sensor | |
RU2774643C1 (en) | Solid state nitrogen dioxide sensor | |
RU2422811C1 (en) | Nano-semiconductor gas sensor | |
RU2652646C1 (en) | Ammonia trace contaminant sensor | |
RU2610349C1 (en) | Semiconductor gas sensor for oxygen trace substances | |
RU2649654C2 (en) | Co sensor | |
RU2700036C1 (en) | Carbon monoxide gas monomer | |
RU2613482C1 (en) | Ammonia semiconductor sensor | |
RU2274853C1 (en) | Nitrogen dioxide indicator | |
RU2603337C1 (en) | Semiconductor gas sensor of trace impurities of oxygen |