RU2697920C1 - Semiconductor nitrogen dioxide sensor - Google Patents

Semiconductor nitrogen dioxide sensor Download PDF

Info

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
Application number
RU2019108183A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ираида Алексеевна Кировская
Алиса Олеговна Эккерт
Роберт Владимирович Эккерт
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Priority to RU2019108183A priority Critical patent/RU2697920C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697920C1 publication Critical patent/RU2697920C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating 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
    • G01N27/125Composition 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

FIELD: gas analysis.SUBSTANCE: invention relates to gas analysis and can be used for environmental monitoring tasks. Disclosed is a semiconductor sensor of nitrogen dioxide, consisting of a semiconductor base made in form of a polycrystalline film of zinc selenide (ZnSe), which is deposited on a non-conductive substrate.EFFECT: sensor according to the invention with considerable simplification of its manufacturing technology enables to determine content of nitrogen dioxide with sensitivity several times higher than that of known sensors.1 cl, 2 dwg

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 semiconductor base 1, made in the form of a polycrystalline ZnSe film, 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 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

Значения pH изоэлектрического состояния (рНизо) поверхности селенида
цинка
PH values of the isoelectric state (pH iso ) of the surface of selenide
zinc
Экспонирование на воздухеAir exposure Обработка аргономArgon treatment Экспонирование в диоксиде азотаNitrogen dioxide exposure 8,208.20 7,957.95 4,504,50

Claims (1)

Полупроводниковый датчик диоксида азота, содержащий полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки селенида цинка. A semiconductor nitrogen dioxide sensor containing a semiconductor base deposited on a non-conductive substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of zinc selenide.
RU2019108183A 2019-03-21 2019-03-21 Semiconductor nitrogen dioxide sensor RU2697920C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RU 2462554 C1. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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