RU2760311C1

RU2760311C1 - Carbon monoxide sensor

Info

Publication number: RU2760311C1
Application number: RU2021114129A
Authority: RU
Inventors: Ираида Алексеевна Кировская; Полина Евгеньевна Нор
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2021-11-23

Abstract

FIELD: sensors.SUBSTANCE: invention relates to the field of gas analysis, in particular, to detecting apparatuses applied for recording and measuring the content of trace amounts of carbon monoxide and can be used for environmental monitoring. The sensor according to the invention comprises a semiconductor base and a substrate. The semiconductor base is made of a polycrystalline film of a solid solution of the composition (CdTe)0.35(CdS)0.65applied onto a non-conductive substrate.EFFECT: with a significant simplification of the manufacturing technology thereof, the sensor provides a possibility of determining the content of carbon monoxide with a sensitivity exceeding the sensitivity of known sensors by several times.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода. Изобретение может быть использовано в экологии.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 carbon monoxide. The invention can be used in ecology.

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. – 287с.) Однако такой датчик (детектор) чувствителен только к веществам с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя.Known sensor (detector) for thermal conductivity, the action of which is based on the difference in thermal conductivity of vapors of the substance and the carrier gas (Vyakhirev DA, Shushukova AF Guidelines for gas chromatography. M .: Higher school, 1987. - 287p.) However, such a sensor (detector) is sensitive only to substances with thermal conductivity close to the thermal conductivity of the carrier gas.

Известен также полупроводниковый газовый датчик на основе оксида индия (In₂O₃), легированного оксидами щелочных металлов (Yamaura Hiroyuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Yamazoe Noboru //J. Electrochem.Soc. – 1996. – V. 43. N 2. P.36-37). Он позволяет детектировать 6,7 – 0,05 Па СО во влажном воздухе при 300 ˚С. Also known is a semiconductor gas sensor based on indium oxide (In ₂ O ₃ ) doped with alkali metal oxides (Yamaura Hiroyuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Yamazoe Noboru // J. Electrochem. Soc. - 1996. - V. 43 . N 2.P.36-37). It allows detecting 6.7 - 0.05 Pa CO in humid air at 300 ˚С.

Недостатком данного устройства является недостаточная чувствительность датчика для контроля содержания оксида углерода, высокая рабочая температура – 300 ˚С и трудоемкость изготовления.The disadvantage of this device is the insufficient sensitivity of the sensor to control the content of carbon monoxide, the high operating temperature - 300 ˚С and the complexity of manufacturing.

Ближайшим техническим решением к изобретению является газовый датчик влажности газов, состоящий из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами, и непроводящей подложки (Патент РФ № 2206083, М. ПК. G 01 N 27/ 12, опубликовано 10.01.2007г.).The closest technical solution to the invention is a gas moisture sensor for gases, consisting of a polycrystalline film of indium antimonide doped with zinc selenide, with metal electrodes deposited on its surface, and a non-conductive substrate (RF Patent No. 2206083, M. PK. G 01 N 27/12, published on 10.01.2007).

Недостатком известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей оксида углерода. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операции напыления металлических электродов и прямых адсорбционных измерений, что является трудоемкой операцией. The disadvantage of the known device is its insufficient sensitivity in the control of trace amounts of carbon monoxide. In addition, the design of the sensor assumes, during its manufacture, the operation of spraying metal electrodes and direct adsorption measurements, which is a laborious operation.

Техническим результатом изобретения является создание датчика, позволяющего, при повышенной чувствительности и технологичности его изготовления, определять содержание микропримесей оксида углерода в газовых смесях при комнатной температуре.The technical result of the invention is the creation of a sensor that allows, with increased sensitivity and manufacturability of its manufacture, to determine the content of trace amounts of carbon monoxide in gas mixtures at room temperature.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами и непроводящую подложку, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки твердого раствора на основе теллурида и сульфида кадмия состава (CdTe)_0,35(CdS)_0,65, 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 with metal electrodes deposited on its surface and a non-conductive substrate, according to the invention, the semiconductor base is made in the form of a polycrystalline film of a solid solution based on telluride and cadmium sulfide of composition (CdTe) _{0, 35} (CdS) _0.65 deposited on a non-conductive substrate. This eliminates the operations of applying metal electrodes to the semiconductor base and time-consuming direct adsorption measurements.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены The essence of the invention is illustrated by a drawing, which presents

на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого датчика; in fig. 1 shows the design of the proposed sensor;

на фиг. 2 – кривые зависимости величины рН изоэлектрического состояния поверхности (рН_изо) полупроводников системы CdTe – CdS, экспонированных в инертном газе (а) и в атмосфере оксида углерода (б), от состава; in fig. 2 - curves of the dependence of the pH value of the isoelectric state of the surface (pH _iso ) of semiconductors of the CdTe - CdS system, exposed in an inert gas ( a ) and in an atmosphere of carbon monoxide ( b ), on the composition;

на фиг. 3 изображена градуировочная кривая зависимости изменения рН изоэлектрического состояния поверхности (∆рН_изо) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления СО (P_СО). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.in fig. 3 shows a calibration curve of the dependence of the change in the pH of the isoelectric state of the surface (∆рН _iso ) of a semiconductor base during adsorption at room temperature on the initial pressure of CO (P _CO ). The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора на основе теллурида и сульфида кадмия состава (CdTe)_0,35(CdS)_0,65, и непроводящей подложки 2 (фиг. 1).The sensor consists of a semiconductor base 1 made in the form of a polycrystalline film of a solid solution based on cadmium telluride and cadmium sulfide composition (CdTe) _0.35 (CdS) _0.65 , and a non-conductive substrate 2 (Fig. 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 occurring on a semiconductor film deposited on a non-conductive substrate and causing 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 sensor works 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 оксида углерода газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (CdTe)_0,35(CdS)_0,65 происходит избирательная адсорбция молекул CO и изменение рН изоэлектрического состояния поверхности пленки (∆рН_изо). По величине изменения рН изоэлектрического состояния поверхности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание оксида углерода 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 carbon monoxide is passed (or kept). Upon contact of the transmitted gas with the surface of the semiconductor film (CdTe) _0.35 (CdS) _0.65 , selective adsorption of CO molecules and a change in the pH of the isoelectric state of the film surface (∆рН _iso ) occur. By the magnitude of the change in the pH of the isoelectric state of the surface with the help of calibration curves, it is possible to determine the content of carbon monoxide in the medium under study.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ∆рН_изо от содержания оксида углерода (P_СО), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением операций нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции. From the analysis of the typical calibration curve shown in Fig. 3, obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of ∆pH _iso on the carbon monoxide content (P _CO ), it follows: the inventive sensor, with a significant simplification of its manufacturing technology, makes it possible to determine the carbon monoxide content with several times higher than the sensitivity of known sensors. A significant simplification of the sensor manufacturing technology is due to the elimination of the operations of deposition of metal electrodes on the semiconductor base and laborious measurements of adsorption.

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.The small dimensions of the device (working volume less than 0.2 cm ³ ) in combination with the low mass of the adsorbent film make it possible to reduce the time constant of the sensor to 10 - 20 ms.

Конструкция заявляемого датчика позволяет при повышенной чувствительности и технологичности его изготовления, определять содержание микропримесей оксида углерода в газовых смесях при комнатной температуре, а также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.The design of the proposed sensor allows, with increased sensitivity and manufacturability of its manufacture, to determine the content of microimpurities of carbon monoxide in gas mixtures at room temperature, as well as to improve its other characteristics: speed, regeneration, ability to work not only in static, but also in dynamic mode.

Claims

A carbon monoxide sensor containing a semiconductor base and a substrate, characterized in that the semiconductor base is made of a polycrystalline film of a solid solution of telluride and cadmium sulfide of composition (CdTe) _0.35 (CdS) _0.65 deposited on a non-conductive substrate.