Пьезорезонансный газовый датчик

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота и других газов. Технический результат изобретения: повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика, расширение его функциональных возможностей. Сущность: датчик содержит подложку и полупроводниковое основание. Подложка выполнена из пьезокварцевого резонатора, а полупроводниковое основание - из поликристаллической пленки теллурида кадмия, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора. 3 ил.

 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота и других газов. Изобретение может быть использовано в экологии.

Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии между теплопроводностью паров вещества и газоносителя [1] (Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш.школа, 1987). 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 невелика.

Известен также датчик [2] (Патент №2143677. М.Кл. G 01 №27/12, 1999 / В.Ф.Марков, Л.Н.Маскаева, С.Н.Уймин, Н.В.Маркова), газочувствительный элемент которого изготовлен на основе сульфида свинца, позволяющий определять содержание оксида азота (IV) с большей чувствительностью. Однако технология его изготовления сложна: она связана с использованием многих реактивов и многих операций по приготовлению соответствующих растворов, их смешению и легированию полупроводниковой пленки. Формирование полупроводниковой пленки осуществляется из реакционной смеси, содержащей соль свинца, тиомочевину, трехзамещенный лимоннокислый натрий, гидроксид аммония, хлористый или бромистый, или йодистый аммоний в мольном соотношении 1:12:7:80:(2-6). Условия для легирования создаются путем введения в реакционную смесь галогенсодержащих солей.

При такой технологии трудно характеризовать ожидаемый состав пленки.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами, и непроводящей подложки [3] (Полезная модель №5652, 1997 / И.А.Кировская, О.А.Старцева (Федяева)).

Недостатком этого известного устройства является его непригодность для контроля микропримесей диоксида азота вследствие недостаточной чувствительности и при этом трудоемкость изготовления, предусматривающего легирование селенида цинка.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика, расширение его функциональных возможностей, в частности обеспечение возможности его применения для анализа диоксида азота.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем подложку и полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами, подложка выполнена из пьезокварцевого резонатора АТ-среза, а полупроводниковое основание - из поликристаллической пленки теллурида кадмия, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора (соответственно без нанесения на поверхность пленки металлических электродов).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 конструкция заявляемого датчика; на фиг.2 - кривая зависимости величины адсорбции диоксида азота от температуры; на фиг.3 - градуировочная кривая зависимости изменения частоты колебания пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой (Δf) в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик представляет собой пьезокварцевый резонатор АТ-среда 1, на электродную площадку 2 которого нанесена адсорбирующая полупроводниковая (поликристаллическая) пленка теллурида кадмия 3. Рабочий объем устройства менее 0,2 см³. Малые габариты устройства в сочетании с малой массой пленки - адсорбента позволяют снизить постоянную датчика по времени до 10-20 мс. Кроме того, исключаются операции легирования полупроводникового основания и нанесения на его поверхность металлических электродов.

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на кварцевый резонатор, и вызывающих изменение его массы и соответственно частоты.

Работа датчика осуществляется следующим образом.

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 CdTe происходит избирательная адсорбция молекул NO₂, увеличение массы композиции «пленка - кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание диоксида азота в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость Δf от содержания диоксида азота следует: заявляемый датчик при существенном отмеченном выше упрощении его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков [2, 3].

Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенирируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.

Газовый датчик, содержащий подложку и полупроводниковое основание, отличающийся тем, что подложка выполнена из пьезокварцевого резонатора, а полупроводниковое основание - из поликристаллической пленки CdTe, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора.