RU2772443C1 - Trace ammonia sensor - Google Patents
Trace ammonia sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772443C1 RU2772443C1 RU2021126819A RU2021126819A RU2772443C1 RU 2772443 C1 RU2772443 C1 RU 2772443C1 RU 2021126819 A RU2021126819 A RU 2021126819A RU 2021126819 A RU2021126819 A RU 2021126819A RU 2772443 C1 RU2772443 C1 RU 2772443C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- ammonia
- semiconductor base
- substrate
- sensitivity
- Prior art date
Links
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 7
- RPPBZEBXAAZZJH-UHFFFAOYSA-N Cadmium telluride Chemical compound [Te]=[Cd] RPPBZEBXAAZZJH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000004164 analytical calibration Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 2
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- GTLQJUQHDTWYJC-UHFFFAOYSA-N zinc;selenium(2-) Chemical compound [Zn+2].[Se-2] GTLQJUQHDTWYJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
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 detection devices used to register and measure the content of trace 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. – 287с.) 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 vapors of the substance and the carrier gas (Vyakhirev D.A., Shushukova A.F. Guide to gas chromatography. M .: Higher school, 1987. - 287p. ) However, the sensitivity of such a sensor (detector) is limited to substances with a thermal conductivity close to that of the carrier gas. For example, when using this sensor for ammonia analysis, the detection accuracy is not high.
Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры// Соровский 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 °С, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов О2 – , 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.There is also a sensor (Budnikov G.K. What are chemical sensors// Sorovsky educational journal. 1998, No. 3. P. 75), which makes it possible to determine the ammonia content with greater sensitivity. However, it is complicated in design and mechanism for obtaining a response to the presence of the component to be determined: 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, giving 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 a dielectric 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 interaction of the latter with the determined gas (its oxidation). Thus, the electrical conductivity of a semiconductor (oxide) layer in air is determined not directly by the content of the analyte gas, but by the degree of surface filling with chemisorbed oxygen, which, in turn, varies in proportion to the concentration of the analyte gas.
Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки (Патент № 2161794, М. ПК.G 01 N 27/ 12, опубликовано 10.01.2001).The closest technical solution to the invention is a gas humidity sensor, consisting of a semiconductor base made in the form of a polycrystalline film of zinc selenide doped with gallium arsenide, with metal electrodes deposited on its surface and a non-conductive substrate (Patent No. 2161794, M. PK.G 01 N 27 / 12, published 01/10/2001).
Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операцию напыления металлических электродов, что является трудоемкой операцией.The disadvantage of this known device is its lack of sensitivity in the control of ammonia traces. In addition, the design of the sensor involves the operation of deposition of metal electrodes during its manufacture, which is a laborious operation.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности изготовления датчика.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the sensor when monitoring ammonia traces and to improve the manufacturability of the sensor.
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 твердого раствора состава (CdS)0,67(CdTe)0,33, а подложка – в виде электродной площадки пьезокварцевого резонатора.This technical result is achieved by the fact that in a 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 film of a solid solution of the composition (CdS) 0.67 (CdTe) 0.33 , and the substrate is in the form electrode pad of the piezoquartz resonator.
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 частоты колебания пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой (∆f)в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH3 (PNH3). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The essence of the invention is illustrated by drawings, where are presented in Fig. 1 - design of the proposed sensor, Fig. 2 - curve of the dependence of the amount of ammonia adsorption on temperature, in Fig. 3 - calibration curve of the dependence of the change in the oscillation frequency of a piezoelectric resonator with a deposited semiconductor film (∆f) during adsorption at room temperature on the initial pressure of NH 3 (P NH3 ). The latter clearly demonstrates its sensitivity.
Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdS)0,67(CdTe)0,33, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3. The sensor consists of a
Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его массы, а соответственно частоты колебаний ∆f.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 resonator, and causing a change in its mass, and, accordingly, the oscillation frequency ∆f.
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 аммиака газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки твердого раствора состава (CdS)0,67(CdTe)0,33 происходит избирательная адсорбция молекул NH3, увеличение массы композиции «пленка – кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.The sensor is placed in a chamber at room temperature (it can be a conventional glass tube), through which the gas to be analyzed for ammonia is passed (or maintained). Upon contact of the passed gas with the surface of a semiconductor film of a solid solution of the composition (CdS) 0.67 (CdTe) 0.33 , selective adsorption of NH 3 molecules occurs, an increase in the mass of the “film-quartz resonator” composition and a change in the oscillation frequency of the latter. By the magnitude of the change in frequency using calibration curves, you can determine the content of ammonia in the medium under study.
Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ∆f от содержания аммиака (PNH3), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков.From the analysis shown in figure 3 typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of ∆f on the ammonia content (P NH3 ), it follows: the inventive sensor with a significant simplification of its manufacturing technology allows you to determine the ammonia content with a sensitivity several times higher than sensitivity of known sensors.
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. Кроме того, исключается операция напыления на полупроводниковое основание металлических электродов, что повышает технологичность изготовления датчика.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. In addition, the operation of deposition of metal electrodes on the semiconductor base is eliminated, 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 inventive sensor also makes it possible to improve its other characteristics: speed, regenerability, the ability to work not only in static, but also in dynamic mode.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2772443C1 true RU2772443C1 (en) | 2022-05-20 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613482C1 (en) * | 2015-11-13 | 2017-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Ammonia semiconductor sensor |
| RU2652646C1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-04-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Ammonia trace contaminant sensor |
| RU2700035C1 (en) * | 2019-03-29 | 2019-09-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) | Microimpurities of ammonia sensor |
| RU2718133C1 (en) * | 2019-09-17 | 2020-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "АМБ" | Gas-sensitive detector |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613482C1 (en) * | 2015-11-13 | 2017-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Ammonia semiconductor sensor |
| RU2652646C1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-04-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Ammonia trace contaminant sensor |
| RU2700035C1 (en) * | 2019-03-29 | 2019-09-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) | Microimpurities of ammonia sensor |
| RU2718133C1 (en) * | 2019-09-17 | 2020-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "АМБ" | Gas-sensitive detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2398219C1 (en) | Semiconductor gas analyser | |
| RU2281485C1 (en) | Semiconductor gas sensor | |
| RU2530455C1 (en) | Nanosemiconductor gas sensor | |
| RU2350936C1 (en) | Semiconducting gas analyser | |
| RU2400737C2 (en) | Ammonia trace contaminant detector | |
| RU2526225C1 (en) | Gas sensor | |
| RU2469300C1 (en) | Semiconductor gas analyser | |
| RU2423688C1 (en) | Nano-semiconductor gas analyser | |
| RU2652646C1 (en) | Ammonia trace contaminant sensor | |
| RU2395799C1 (en) | Gas analyser of carbon oxide | |
| RU2613482C1 (en) | Ammonia semiconductor sensor | |
| RU2548049C1 (en) | Semi-conductor gas analyser of carbon monoxide | |
| RU2437087C2 (en) | Gas sensor | |
| RU2326371C1 (en) | Carbon monoxide transducer | |
| RU2772443C1 (en) | Trace ammonia sensor | |
| RU2422811C1 (en) | Nano-semiconductor gas sensor | |
| RU2797767C1 (en) | Trace ammonia sensor | |
| RU2464553C1 (en) | Semiconductor gas analyser | |
| RU2700035C1 (en) | Microimpurities of ammonia sensor | |
| RU2603337C1 (en) | Semiconductor gas sensor of trace impurities of oxygen | |
| RU2743155C1 (en) | Ammonia trace sensor | |
| RU2610349C1 (en) | Semiconductor gas sensor for oxygen trace substances | |
| RU2274853C1 (en) | Nitrogen dioxide indicator | |
| RU2700036C1 (en) | Carbon monoxide gas monomer | |
| RU2649654C2 (en) | Co sensor |