Полупроводниковый газовый датчик

Авторы патента:

G01N27/12 - твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой

Владельцы патента RU 2528118:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Изобретение может быть использовано в экологии. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку, причем основание выполнено из поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности датчика и технологичности его изготовления. 3 ил.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака и других газов. Изобретение может быть использовано для решения задач экологического контроля.

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.-287 с.). 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.

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 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 O₂ ^-, 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.

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, МПК G01N 27/12, опубликовано 10.01.2007 г.).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении напыление металлических электродов и прямые адсорбционные измерения, являющиеся трудоемкими операциями.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности изготовления датчика.

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 сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку. При этом исключаются операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких прямых адсорбционных измерений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - кривая зависимости величины рН изоэлектрического состояния поверхности (ρН_изо) полупроводников системы CdS-ZnTe, экспонированных на воздухе (а) и в атмосфере аммиака (б), от состава; 3 - градуировочная кривая зависимости изменения рН изоэлектрического состояния поверхности (ΔpН_изо) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH₃ (Р_NH3). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, и непроводящей подложки 2 (фиг.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.

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 аммиака газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки CdS(ZnTe) происходит избирательная адсорбция молекул NH] и изменения рН изоэлектрического состояния поверхности (ΔрН_изо). По величине изменения рН изоэлектрического состояния поверхности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ΔрН_изо от содержания аммиака (Р_NH3), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.

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 его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.

Газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку.

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для контроля токсичных и взрывоопасных газов и в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых сред.

Полупроводниковый газоанализатор // 2526226

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано в экологии. Датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание и подложку, причем основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного сульфидом цинка, нанесенной на непроводящую подложку.

Газовый датчик // 2526225

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода. Датчик микропримесей оксида углерода содержит полупроводниковое основание и подложку.

Способ калибровки полупроводниковых сенсоров газа и устройство для его осуществления // 2523089

Изобретение относится к области анализа газов. Способ калибровки полупроводникового сенсора реализуется с помощью программно-аппаратного измерительного комплекса и состоит в том, что циклически заданное количество раз (K раз) нагревают чувствительный элемент сенсора в чистом воздухе (ПГС-1) до температуры Т1 и охлаждают до температуры Т2, далее в течение следующих K циклов нагрева и охлаждения подают поверочную газовую смесь ПГС-2 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих K циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-3 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих К циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-N в область чувствительного элемента, строят семейство из N=4 временных зависимостей проводимости газочувствительного слоя σ(t) для каждой газовой смеси и для фиксированного в цикле момента времени ti определяют градуировочную характеристику.

Электрический сенсор на пары гидразина // 2522735

Изобретение может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Электрический сенсор на пары гидразина содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, при этом чувствительный слой состоит из структуры графен-полупроводниковые квантовые точки, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность квантовых точек пропорционально концентрации паров гидразина в пробе.

Способ получения газочувствительного материала на основе оксида цинка к парам ацетона // 2509302

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для изготовления полупроводниковых газовых сенсоров, предназначенных для детектирования паров ацетона в воздухе.

Способ измерения полисостава газовых сред // 2504760

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе согласно изобретению предлагается использовать число датчиков, соответствующее числу неизвестных компонент, подлежащих измерению.

Электрохимический сенсор и способ его получения // 2502992

Изобретение может быть использовано, в частности, при определении незначительных количеств химических и биохимических веществ, таких как газы или биомолекулы. Согласно изобретению предложен способ получения электрохимического сенсора с детекторной зоной, электрическая проводимость которой (σ) устанавливается посредством туннельных, ионизационных, или прыжковых процессов, и в которой устанавливается электрохимическое взаимодействие с определяемым заданным веществом; при котором детекторную зону получают путем локального приложения энергии, предпочтительно путем индуцированного электронным лучом осаждения, при котором находящиеся в газообразной форме вещества-предшественники, присутствующие в зоне осаждения в непосредственной близости к подложке, энергетически активируются для преобразования, причем продукты преобразования осаждают в твердой и не летучей форме на подложке.

Способ определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна // 2502991

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности для исследования пластов, определения их остаточной водонасыщенности, для оперативного контроля влажности на нефтепромысловых скважинах.

Газоизмерительное устройство и способ его работы // 2502066

Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу.

Нанополупроводниковый газовый датчик // 2530455

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Изобретение может быть использовано в экологии. Датчик микропримесей аммиака содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической нанопленки сульфида кадмия, легированного теллуридом кадмия. Подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Способ изготовления газового сенсора с наноструктурой и газовый сенсор на его основе // 2532428

Изобретение относится к изготовлению газовых сенсоров, предназначенных для детектирования различных газов. Предложен способ изготовления газового сенсора, в котором образуют гетероструктуру из различных материалов, в ней формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников. Газочувствительный слой формируют в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния с помощью центрифуги с последующим отжигом. На поверхности подложки предварительно методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм. Золь приготавливают в два этапа: на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, а на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323; соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05; двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут. Предложен также газовый сенсор с наноструктурой, изготовленный по предлагаемому способу. Технический результат - повышение чувствительности газового сенсора. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Способ изготовления материала газового сенсора селективного детектирования н2s и его производных // 2537466

Изобретение относится к области нанотехнологии сенсорных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых газовых сенсоров, селективных к содержанию в воздухе сероводорода и его производных. Сущность изобретения состоит в создании наногетерогенного материала на основе нитевидных кристаллов оксидов n-типа проводимости SnO2, ZnO, In2О3 и иммобилизованных на их поверхности нанокластеров оксидов p-типа проводимости CuO, NiO, Со3O4. Способ изготовления включает получение нитевидных кристаллов из пара и пропитку кристаллов растворами солей с последующим отжигом для формирования р-n гетероконтактов. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности газового сенсора селективно к H2S и его производным в воздухе.2 з.п. ф-лы, 2 пр.

Способ формирования пленок, содержащих поли-n, n-диметил-3, 4-диметиленпирролидиний цианид, на поверхности оксидных стекол // 2541715

Использование: для определения содержания паров воды в воздушной среде. Сущность изобретения заключается в том, что при формировании пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде выполняют последовательное нанесение на поверхность оксидного стекла поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорида аэрозольным распылением и гексацианоферрата(III) калия ультразвуковым распылением в соотношении 3:1 с образованием поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианидной пленки, селективной по отношению к парам воды. Технический результат: обеспечение возможности получения тонких пленок контролируемой толщины, увеличение стабильности, селективности пленки на поверхности оксидных стекол по отношению к содержанию влаги в воздушной среде и улучшение метрологических характеристик измерения величины электрической проводимости.

Полупроводниковый датчик кислорода // 2546849

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания кислорода. Газовый датчик согласно изобретению содержит диэлектрическую подложку с нанесенным слоем полупроводникового материала толщиной от 0,07 мкм до 0.2 мкм. На слой нанесены металлические электроды. В качестве полупроводникового материала используется поликристаллический материал состава Sm1-xLnxS, где x изменяется от 0 до 0.14, а Ln представляет собой один из элементов: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Изобретение обеспечивает возможность изготовления датчика для измерения содержания кислорода, обладающего повышенной чувствительностью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.

Полупроводниковый газоанализатор угарного газа // 2548049

Использование: для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый газоанализатор угарного газа содержит полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, при этом полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,26(CdSe)0,74. Технический результат: повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика. 3 ил.

Экспрессный способ оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс // 2555775

Изобретение относится к аналитической химии, а может быть использовано для оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс. Для этого используют многоканальный анализатор газов (МАГ-8) с 8-мью пьезокварцевыми резонаторами, электроды которых модифицируют нанесением растворов полидиэтиленгликольсукцината, полиэтиленгликольсебацината, полиэтиленгликольфталата, полифенилового эфира, триоктилфосфиноксида, пчелиного клея, пчелиного воска и комбинированного сорбента - пчелиного клея с хлоридом железа (III). После удаления растворителя при температуре 40-50°C в течение 15-20 мин, масса пленки сорбента составляет 15-20 мкг. После этого модифицированные пьезокварцевые резонаторы помещают в закрытую ячейку детектирования МАГ-8 и выдерживают в течение 5 мин для установки стабильного нулевого сигнала. Затем в пробоотборник помещают 5,00 г измельченного образца фенолформальдегидной пластмассы, плотно закрывают полиуретановой пробкой и выдерживают при температуре 20±1°C в течение 15 мин для насыщения газовой фазы парами фенола. Затем отбирают 3 см3 равновесной газовой фазы через полиуретановую пробку и инжектируют ее в закрытую ячейку детектора МАГ-8, фиксируют в течение 120 с изменение частоты колебаний пьезосенсоров и рассчитывают площадь «визуального отпечатка» Sв.о., Гц·с по формуле Sв.о.=f(Сф), S=1959·Сф+35. Для расчета предварительно строят калибровочный график зависимости Sв.о., Гц·с от концентрации фенола Сф, мг/дм3. Если площадь Sв.о.≥130±10 Гц·с, то концентрация свободного фенола в равновесной газовой фазе над фенолформальдегидными пластмассами Сф>0,05 мг/дм3 превышает рекомендуемый уровень для пищевых пластмасс, а при Sв.о. >260 Гц·с и выше, регистрируется высокое содержание фенола и формальдегида. Изобретение позволяет быстро оценить безопасность изделий из фенолформальдегидных пластмасс с 5% погрешностью измерений. 2 ил., 1 пр.

Полупроводниковый анализатор диоксида азота // 2561019

Использование: для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Сущность изобретения заключается в том, что датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)0,94(CdTe)0,06, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, селективности датчика и технологичности его изготовления. 3 ил., 1 табл.

Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения // 2562178

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии водорода в различных конструкционных материалах, используемых в космической и атомной технике, в изделиях, подвергаемых наводороживанию и облучению в процессе эксплуатации. Для управления электронным пучком в вакуумной камере расположены отклоняющие пластины, проходя которые, электронный пучок облучает с определенной частотой различные места поверхности металлической мембраны-образца. одна сторона которого, находящаяся в электролитической ячейке, насыщается водородом, диффундирующим к противоположной стороне образца-мембраны, встроенной герметично в торец вакуумной камеры и одновременно облучаемой отклоняемым пучком электронов от электронной пушки. Технический результат - повышение точности измерения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Полупроводниковый газоанализатор угарного газа // 2565361

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,68(CdSe)0,32, и непроводящей подложки. Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.