Способ получения чувствительного элемента анализатора окиси углерода

 

Использование: техника газового анализа , в химической промышленности, горнодобывающей , тяжелой и др. Сущность изобретения; на диэлектрическую подложку наносятся контакты, на которые подается напряжение 20-25 В и производится осаждение полупроводникового слоя сульфида кадмия методом пульверизации на нагретую до температуры формирования полупроводникового слоя подложку, причем поверхность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 1010-1011 см 2. 1 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sr1s 6 01 N 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4876283/25 (22) 10.07.90 (46) 15.11.92. Бюл. N. 42 (71) Одесский государственный университет им. И.И.Мечникова (72)t.Ь.Голованов, 5.Ь.Курков и В.А.Смынтина (56) Методы определения газообразных загрязнений в атмосфере, М.: Наука, 1979, с.

240-249.

Патент Японии N- 64-8120. кл, G 01 N 27/12, 1979.

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано в анализаторах окиси углерода в кислородсодержащей атмосфере, в вакууме, в индифферентной газовой среде (например, в среде йг, Не и т.п.).

Известны электрохимические чувствительные элементы (ЧЭ) для регистрации CO (см, патент Японии ¹ 53-52 365 Кацура Масак11, Такахаси Такаси, сборник "Методы определения газообразных загрязнений в атмосфере" — М., Наука, 1979, с. 240-249), действие которых основано на регистрации изменения электропроводности раствора

Ва(ОН)г или NaOH, в котором растворена окись углерода, предварительно окисленная до СО2.

Электрохимические чЭ вкл1очают два контакта. закрепленные на ячейке с раствором электролита, причем один иэ контактов изготовленный из платины.. золота или серебра, выполняет функцию чувствительного

„„5U„„1775657 А1 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА АНАЛИЗАТОРА ОКИСИ

УГЛ Е РОДА (57) Использование: техника газового анализа, в химической промышленности, горнодобывающей, тяжелой и др. Сущность изобретения; на диэлектрическую подложку наносятся контакты, на которые подается напряжение 20-25 В и производится осаждение полупроводникового слоя сульфида кадмия методом пульверизации на нагретую до температуры формирования полупроводникового слоя подложку, причем поверхность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 10 -10 см . 1 ил.

1О электрода, на котором происходит окисление СО до С02.

К недостаткам данных ЧЭ можно отнести малый ресурс работы и сложность эксплуатации, обусловленные сменой электролита, необходимостью в стабилизации параметров элемента и степенью растворимости COz в электролите, низкую чувствительность и высокую интерференцию к анализируемым компонентам, как следствие — значительную погрешность измерений, большую инерционность срабатывания, обусловленную условиями эксплуатации, сложность конструкции ЧЭ.

Наиболее близким техническим решением к изобретени1о является способ получения чувствительного элемента (см. патент Японии М 54-8120 нац, кл.. 113 И), включающего диэлектрическую подложку и

1t 775!>57

Г! О/! >> П )Р О В ОД)1 )Л К О В Ь! Й СЛОЙ 7 t< Li < t 1> )>3 8 >(Я Л!1 Я С

НЯНВСЕННЫМИ На НВГО Кантс)К ЯМИ, I: недостаткам этого ЧЭ можно отнести значительную )6pf!< п)з)з цессов, обусловленное тем. !TÎ изменение электроп раводнасти Ч Э связана с абъемн ы14 И П)ЗОЦВСС/?М)1, ПРО>)СХО/)Я В.,И/с))Л ВСЛОДС Iвие диффузии адсорбента В пори(;ту)0 структуру а)а)си металла, f)bIC03<УЮ ЭНВРГОР/ll K 8 I(сл 8 д ст Г и 8, /? 0/) t-., tl t )) to 3 I! 8 )3 пз 8 мК О С 3 Ь И С у> Щ 6 С Т В 6 1 1 Н у а Д 6 Г !>7 сз Д Я ! >>1 10 П с! 1) с)!! >! Е З!

108 ЭЛВМВНТЯ, НВВОЗМОЖНОСТ Ь Регист>0>3 ЦИИ 13 "t-. !ЛИЭИруемога газа В ине!п най яз мосфеае T,t.. /)8II(T!>И(> "1 ..-) Оси Он с! НО 3)Я >с> Г>Ь>0 КЯ-;ЯЛ И Г> Ъ>.;В С!<<7!>3 эффекте с учас гием Ятмасфарнога кислораДOI.

Сущестненным недостатка.л данны:< элемен!Ов является также сложность техно/! 0 ГИ И ИХ ИЗ ГОТОВЛ 6) I ИЯ, СВЯ Э ЯН Нс> с) С НеобХО"

Димас 3 ь)0 Обе(".пе I6I I>II+> ВысОкОЙ п<зр! !Отасти

ПО/!УПРО()ОД))ИI<01)ОГО С/)ОЯ., с! ИМОННО, СМВСЬ

ВХОДЯЩ>> (? В ПОЛ)/ПРОБОДНИКОРЫЙ C/IОЙ (ЯCб881, с Гекловолокна, цеменз с А1(0) >18 и I-I2D) наносят н0 диэлекгри !6ску)о подложку М8ТОДОМ Вс)К,A/ÌÉOÃO НЯП)>)> )81!)1!1, ТРО>б>У!С)!.> Irit 0

ГПОМОЭДКОГО И C/)0>KIIОГ 0 8 Э)<СПЛ /ЯТЯЦИИ ()60РУДОВЯнил., Roc/ic- . iCÃÎ t .POèçâ0/Léò Даль) 38йшу)0 тех))алОГ!1>)РсK) lo Ос?)заб>отк>> . Диэfl 6 к T 121 i ч 8 с к у О) и О д л )3 ж к у и =I Г ".> ) 6 В а! О т д л 11

УДЯ/)енин ВОДь!. Я 3/)тсГИ Г! ООХ/I >,(f. БЯ fl >T ДЛЯ и p8tfp80)ения 5I(UI ")р l) />I ()з

) !(>Л> fO I! pBtj/)> "/IBI->г>ГО N:)Ot))7. ГВНИЯ 1)ВП/38ТСЯ УСТ(!BIIOIIL)<." Указс!))Н! ° IK IIВДОСТЯТI ОВ

ПрОТОТ Il)G, Я THK:K8 УПраще)3»16 I.LI В f )83>//j»" тате иск/!)Оче!)))я иэ конструкции 3)ягреняТ6ЛЬНОГО ЭЛВМВНТЯ, Поставла !33я/3 йель досп)Гяется там чтО диэл "к/р")ч(" ) IO "Io -)/)>з)к! у

1<0!! > ЯКТЬ!. I i 8 II(- . 1!ОД )8 > СЯ НЯП!ЗЯ К(>1)ИО

2() 25 Б )л про)1380!?KI ) > >3 0> х< "" >ие 1 >л>>f t )О

ВОД!)икОВаи 0/it?fH//If>t !<Я>1>м)лл матадом Г)ульверизяции >!я подла>кку, нягратую до температуры протыкания реакции <>ормиравания спал> при)ем п? 8r>) ность лагируатся якцепторной прим)э<зь)а концентрацией 130 "-10 " см (->>ОВЫМ, ПО CP88нениf0 C !3)З>О::,> ЯВ/Iйетсл Го, что В пРВДЛ<)ГЯО)лам K 3)с!ссм(?тР8 нию способе пол/38)!ия ЧЭ на

ДИЭЛЕКТРИ>38СКУ!О Г)ОДЛОЖКУ НЯНОСЯТСЯ.КО)1 такты, на которые подается напря>кение 202 5 В и и р 0 и 3 В 0 д të T с я 0 с Я >к /7, 8 f t и (. полупроводниковой пленки сульфидя кадмия методом пульнеризации ня подложку, нагре гуto до температуры протекания р>/якц)л!л (1)армиГ?анания слоя. причем пав(3)зх" ность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 10 -10 см2. Кон10 11 центрация заряженной поверхности примеси оценивалась по изменению сопро5 Гивления исходного полупроводникового

СЛОЯ, Уменьшение концент)зяции легирую10 - 2 .ЦВЙ примеси ниже 10 см приводит к недостаточному формировани)о центров

10 ядсорбции для окиси углерода, Увеличение поверхностной концентрации акцепторной.

11 -? примеси выше 10 см приводит к образонани)о кластерон примеси на понерхнасти слоя зафиксированных методами электрон15 ногряфического анализа на электронном микроскопе ЭМВ-100АК.

Уменыление энергетической глубины

;-,8)f81 8KtèIt поверхностных у)зовней Вследствие -,Гога процесса приводит к уменьшению

20. днухорбитального четырехзлектронного взаимодействия валентной орбитали молекуль поверхностного адсорбционнаго цент-!

)а в соотьетстнующей 5п -орбиталью мо/I8êóëffpíOга терма окиси углерода и, как

25 следствие, к снижению донарно-акцепторного Взаимодействия при хемасорбции, Экспериментальна установлена, что .!унствительнасть к СО зависит OT кон цент" рации акцепторнай примеси на паверхно30 сти образца и достигает глаксима/!Ьнога знячсп)ия концентрации 10 -10 см . При

10 11 -2 этом образец проявляет чувствительность к

),, О при комнатной температуре (300-310K).

Тякае техническое решение позволяет

35 о)зеспа>33)ть следу!Ощие преимущества ЧЭ: снести к минимуму инерционность срабатывания, т.к, хемасорбция молекул СО на полученных слоях происходит на геометрической поверхности, не затрагивая объем

40 3)/38 3K, устранить деградаци)а параметрон анализатора вследствие того, что при комнатной температуре (300-305 3(), при которой

l- происходит преобразование структуры и

- )5 состава полупронодниKO(303 о слоя, понизить энергоемкость и упростить конструкцию ЧЭ, н результате отсутствия потребности в нагревательном элементе, расширить диапазон применения ЧЭ за

3>О счет возможности регистрации анализируемого гааз в инертной атмосфере или в Вакууме, по кальку действие ЧЭ основано на обратимой хемосорбции газа на поверхносп(слоя без использования термокаталити55,6cKo(0 эффекта, упростить "1 удешевить технологию изготовления ЧЭ за счет того, что технологический процесс проводится в нормальных атмасфарных условиях., не требуя громазд1775б57 кой и сложной в эксплуатации вакуумной аппаратуры.

Поликристаллические пленки, полученные описанным способом отличаются от слоев, осажденных другими известными в настоящее время методами тем, что они являются мелкозернистыми с хорошо развитой поверхностью, что обеспечивает высокую эффективность протекания адсорбционно-десорбционных процессов при низкой температуре. Подача напряжения

2Q-25В на контакты при напылении позволяет в процессе формирования слоя провести полевой дрейф легкоподвижных дефектов к межкристаллитным прослойкам и сформировать потенциальный рельеф пленки, оптимальный для хемосорбции окис» углерода.

Уменьшение напряжения ниже 20В приводит к значительному увеличению времени установления стационарного состояния протекающих диффузионных процессов. Увеличение напряжения вызывает возрастание электропроводности вследствие протекающих диффузионных процессов, приводящее к пробою образца.

Нагрев подложки до температуры протекания реакции формирования слоя позволяет обеспечить максимальную чистоту полупроводникового слоя ЧЭ с одновременным удалением побочных продуктов иэ зоны реакции.

Легирование поверхности образца акцептоаной поимесью концентрацией 10—

10 см создает дефекты, являющиеся центрами хемосорбции для СО.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется на предлагаемой схеме ЧЭ.

Чувствительный элемент состоит из диэлектрической подложки 1 с нанесенными на нее контактами 2 и полупроводникового слоя 3 в виде пленки сульфида кадмия.

На кон гакты 2 подается разность потенциалов заданной величины, например, 20В, производится регистрация исходной электропроводности пленки 3. Затем ЧЭ помещается в анализируемую смесь газов.

Адсорбция окиси углерода приводит к изменению электропроводности полупроводниковой пленки. Регистрация изменения величины электропроводности позволяет судить о концентрации СО в анализируемой

25 смеси. Чувствительный элемент не требует нагрева для активации сорбционных процессов.

Технология изготовления ЧЭ заключается в том, что на диэлектрическую подложку 1 наносятся индиевые контакты 2, на которые подается напряжение 20-25В. Затем на нагретую до температуры формирования полупроводникового слоя подложку производится осаждение полупроводниковой пленки сульфида кадмия методом пульверизации. При этом под действием подаваемого на контакты напряжения, при повышенной температуре легкоподвижные ионы кадмия дрейфуют к мезеренным границам.понижая поверхностный потенциал в этих областях, что увеличивает адсорбционную способность по отношению к СО, Уменьшение напряжения на контактах менее 208 при проведении полевого дрейфа приводит к резкому увеличению времени установления стационарного состояния, Увеличение напряжения стимулирует нарастание электропроводности за счет существенного роста подвижности носителей тока в результате понижения потенциала на границах кристаллитов, что приводит к разогреву и пробою образца.

Ка заключительном этапе поверхность

30 слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 10 -10" см, что приводит ю к формированию на поверхности центров адсорбции для окиси углерода с малой энергией связи и определяет сорбционную чув35 ствительность к С0 при низких рабочих температурах.

Формула изобретения

Способ получения чувствительного элемента ачализатора окиси углерода, заклю40 чающийся в напылении на диэлектрическую подложку полупроводникового слоя и контактов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения инерционности срабатывания и деградации параметров, на диэлектриче45 скую подложку наносятся контакты, на которые подается напряжение 20-25 В и производится осаждение полупроводникового слоя сульфида кадмия на нагретую до температуры формирования полупроводни50 кового слоя подложку, причем поверхность слоя легируется акцепторной примесью концентрацией 10 -10 см

1775651

Составитель В.Голованов

Техред М,Моргентал Корректор ТЛалий

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4031 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5