Нанополупроводниковый газовый датчик

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из наноразмерной пленки теллурида кадмия. Подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Датчик прост по конструкции, технологичен в изготовлении, обеспечивает высокую чувствительность при измерении содержания оксида углерода. 1 ил.

 

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

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. - 287 с.).

Однако такой датчик (детектор) чувствителен только к веществам с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя.

Известен также полупроводниковый газовый датчик на основе оксида индия (In₂O₃), легированного оксидами щелочных металлов (Vamaura Hiroyuki, Tamaki Jun, Moriya Koji, Miura Norio, Vamazoe Noboru // J. Electrochem. Soc. - 1996. - V.43. N2. P.36-37). Он позволяет детектировать 6,7-0,05 Па СО во влажном воздухе при 300°С.

Недостатком данного устройства является его недостаточная чувствительность для контроля содержания оксида углерода, высокая рабочая температура - 300°С и трудоемкость его изготовления.

Ближайшим техническим решением к изобретению является газовый датчик, состоящий из непроводящей подложки и поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами (патент РФ №2206083. М. Кл. 7G 01 №27/12).

Недостатком известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей оксида углерода. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операции легирования и напыления металлических электродов.

Задачей изобретения является создание датчика, позволяющего, при повышенной чувствительности и технологичности его изготовления, определять содержание микропримесей оксида углерода в газовых смесях при комнатной температуре.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и подложку, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде наноразмерной пленки теллурида кадмия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

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

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде наноразмерной пленки теллурида кадмия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3 (фиг.1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его массы, и соответственно, частоты колебаний (Δf).

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 СО газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки CdTe происходит избирательная адсорбция молекул СО, увеличение массы композиции «пленка-кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание оксида углерода в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения частоты (Δf) от содержания оксида углерода (Р_СО), следует: заявляемый датчик позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Кроме того, существенно упрощается технология изготовления датчика, т.к. отпадает необходимость в легировании и нанесении электродов.

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.

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

Датчик оксида углерода, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из наноразмерной пленки теллурида кадмия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.