Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода

Изобретение относится к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода и может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия ((ZnTe)0,85(GaSb)0,15), а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Изобретение обеспечивает при существенном упрощении технологии изготовления определение содержания кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода. Изобретение может быть использовано для экологического мониторинга.

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 такой датчик (детектор) чувствителен только к веществам с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа кислорода точность определения невысока.

Известен также близкий по устройству датчик влажности газов, состоящий из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного селенидом цинка, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки (Патент RU №2206083 М. Кл. G01 №27/12, опубликовано 10.06.2003).

Недостатком известного устройства является недостаточная чувствительность при контроле микропримесей кислорода. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операцию напыления металлических электродов.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик кислорода (Кировская И.А. Поверхностные явления. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. С. 159), основанный на контакте металл-полупроводник (GaAs), на связи изменения контактной разности потенциалов (КРП) с давлением газа (O2) и избирательности адсорбции при наличии двух и более газовых компонентов.

Недостатком данного устройства является невысокая чувствительность для контроля содержания кислорода (его точность сравнима с точностью термопарного манометра - ~5·10-3 мм рт.ст.) и трудоемкость осуществления контроля изменения контактной разности потенциалов под влиянием адсорбированного кислорода, сопряженного с необходимостью постановки сложного, трудоемкого метода измерения КРП и, соответственно, с операцией нанесения металлических электродов.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика, позволяющего определять содержание микропримесей кислорода в газовых смесях при комнатной температуре.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривая зависимости величины адсорбции кислорода от температуры, на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения частоты колебания (Δf) пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления O2 (Ро2). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3.

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 колебания Δf.

Работа датчика осуществляется следующим образом. Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают анализируемый газ на содержание O2. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (ZnTe)0,85(GaSb)0,15 происходит избирательная адсорбция молекул O2, увеличение массы композиции «пленка - кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты с помощью градуировочных кривых можно определить содержание кислорода 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 кислорода (Ро2), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков.

Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,3 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.

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

Датчик микропримесей кислорода, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, при следующем соотношении (мол.%): ZnTe:GaSb=85:15, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к изготовлению средств выявления примесей газов и определения концентрации газов в воздушной среде. Способ изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа согласно изобретению включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке структуры чувствительных элементов и создание тонких диэлектрических мембран методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны, проводимого в два этапа, первый до нанесения диэлектрической пленки, а второй после завершения всех операций формирования структуры чувствительных элементов с предварительной защитой от травителя лицевой стороны подложки, при этом первый этап травления проводят сначала в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином, а затем в водном растворе гидроокиси калия, а второй этап проводят только в водном растворе смеси этилендиамина с пирокатехином.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и изменения содержания микропримесей аммиака.

Изобретение может быть использовано в газоанализаторах, газосигнализаторах и газовых пожарных извещателях для контроля довзрывных концентраций взрыво-пожароопасных газов и газовых смесей.

Изобретение относится к проведению экспресс-анализа воздуха или смесей газов. Портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров включает высокопрочный полимерный корпус с насадкой-нагнетателем и защитной крышкой из фторопласта, на верхней панели корпуса расположена ячейка с массивом из трех пьезосенсоров с чувствительными пленочными покрытиями для определения компонентов воздуха и равновесной газовой фазы над полимерными изделиями, продуктами питания, топливом по совокупности их легколетучих соединений, внутри корпуса расположены миниатюрная схема возбуждения, соединенная с тремя микроконтроллерами, запрограммированными в сумме на 150 ячеек памяти для регистрации и преобразования сигналов пьезосенсоров и передачи их на моно- или полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала в виде «визуальных отпечатков» максимумов трех сенсоров и для сохранения информации на съемном носителе памяти, приводящимися в действие автономно от встроенного компактного источника питания, на панели корпуса размещены кнопка включения прибора, кнопка работы нагнетателя и переключатель на отдельные режимы измерения: анализ топлива, полимерных материалов, пищевых продуктов и индикаторы работы пьезосенсоров и моно-/полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала.

Использование: для непрерывного контроля утечек взрывоопасных жидкостей (в том числе органических растворителей, аммиака, керосина, бензина) и выдачи звукового или светового сигнала при повышении концентраций паров жидкостей в воздухе помещений, замкнутых объемах (подземных сооружениях и коммуникациях) и наружных установок.

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.

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.

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.

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).

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.

Использование: для создания сенсора изменения состава атмосферы в замкнутых объемах. Сущность изобретения заключается в том, что газовый сенсор содержит температуропроводную подложку из кристаллического материала с плоскопараллельными поверхностями, на рабочей поверхности которой размещен пленочный нагреватель из электропроводящего материала, а на нерабочей - измеритель температуры на основе акустической линии задержки, электромеханические пьезоэлектрические преобразователи встречно-штыревого типа которой подключены к генератору и регистратору выходного сигнала, блок управления нагревателем, пленочный нагреватель выполнен в виде набора обособленных протяженных элементов из газочувствительных материалов, выбранных из условия изменения их электросопротивления при адсорбции различных по составу газов, элементы подключены к индивидуальным выходам блока управления нагревателями, при этом каждый упомянутый элемент ограничен по длинным сторонам канавками, заполненными термо- и звукоизолирующим материалом, измеритель температуры на основе акустической линии задержки выполнен многоканальным по числу протяженных элементов, каждый канал размещен по направлению распространения энергетических потоков поверхностных акустических волн и/или пластинчатых упругих мод разных порядков n в подложке, при этом излучение и прием указанных волн и/или мод производится индивидуальными системами генерации-приема на частотах fn, определяемых выражением fn=Vn/λ, где Vn - скорость поверхностных акустических волн или пластинчатых упругих мод, λ - период встречно-штыревых преобразователей, а протяженные элементы размещены вдоль проекций на рабочую поверхность подложки указанных направлений распространения энергетических потоков.. Технический результат: обеспечение возможности увеличения общего числа газов при повышенной точности измерений и сниженном пороге срабатывания. 9 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений. Способ характеризуется тем, что применяются два сенсора на основе пьезокварцевых резонаторов (ПКР) объемных акустических волн с базовой частотой колебания 10,0 МГц, на электроды которых наносят пленки из насыщенного раствора фторида калия в ацетоне, для чего электроды опускают в насыщенный раствор фторида калия в ацетоне и выдерживают в течение 10 и 5 с, после удаления свободного растворителя в течение 10 мин при температуре t = 100°C , наносятся фазы фторида калия массой 4,0 и 1,0 мкг соответственно, выдерживают их 2 мин для установления стабильности исходной частоты колебания каждого сенсора QUOTE (Гц), предварительно анализируемую твердую фазу массой 1 – 5 г измельчают, жидкую фазу объемом 10 QUOTE отбирают и выдерживают в бюксе с полиуретановой пробкой в течение 20 и 10 мин соответственно, анализируемые газовую смесь или равновесные пары над твёрдыми, жидкими пробами объемом 5 QUOTE отбирают газовым шприцем и инжектируют в ячейку детектирования со скоростью 1 QUOTE , при этом вещества взаимодействуют с покрытиями из фторида калия и изменяются частоты колебания обоих сенсоров, фиксируют частоту колебаний сенсора с массой пленки 4,0 мкг через 30 с после инжекции паров QUOTE (Гц) и для сенсора с массой пленки 1,0 мкг через 60 с после инжекции QUOTE (Гц), по полученным данным рассчитывают для каждого сенсора изменение частот колебаний относительно исходной и, если соотношение изменений частот колебаний сенсоров с массой пленок соответственно 4,0 и 1,0 мкг составляет 1,2 ± 0,3, то делают вывод о присутствии в газовой смеси паров моноэтаноламина. Достигается возможность определения наличия паров моноэтаноламина в газовых смесях, равновесных парах над твердыми, жидкими пробами с высокими экспрессностью и селективностью в минимальном объеме пробы. 1 пр.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного теллуридом кадмия - (InSb)0,98(CdTe)0,02, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода. Изобретение может быть использовано для экологического мониторинга. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора теллурида кадмия, легированного селенидом кадмия состава (CdSe)0,5(CdTe)0,5, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Использование: для получения возможности измерения содержания метана в азоте в широком диапазоне температур и концентраций при одновременном контроле работоспособности электрохимической ячейки в процессе измерений. Сущность изобретения заключается в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте. Технический результат: обеспечение возможности просто и надежно измерять содержание метана в азоте. 4 ил.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака, и может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdTe)0,5(CdS)0,5, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении газовых сенсоров. Предложен способ изготовления газовых сенсоров, содержащих корпус, установленную в нем на основании двухслойную наноструктуру ZnO-ZnO:Cu, точечные контакты, соединенные с выводами корпуса, помещенными в изолятор и штуцер, обеспечивающий контакт детектируемого газа с чувствительным элементом. Двухслойную наноструктуру ZnO-ZnO:Cu, в которой наблюдается термовольтаический эффект, синтезируют в рамках золь-гель технологии из золя путем растворения неорганической соли цинка в спирте и добавления поверхностно-активного вещества, после чего проводится перемешивание с последующим созреванием золя. Нижний слой наноструктуры формируют из чистого оксида цинка путем погружения подложки на ⅔ длины в золь и сушки. Верхний слой оксида цинка, легированного медью, формируют двумя или тремя погружениями другого конца подложки на ⅔ длины с последующей сушкой и отжигом. Изобретение позволяет изготавливать газовый сенсор на основе термовольтаического эффекта в оксиде цинка, который имеет повышенную чувствительность к газам-восстановителям. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности хлебобулочных и кондитерских изделий. Способ предусматривает использование детектирующего устройства «электронный нос» на основе массива из 8 пьезосенсоров с базовой частотой колебаний 10-15 МГц, электроды которых модифицируют покрытиями, чувствительными к спиртам, углекислому газу, для чего на электроды наносят пленки из ацетоновых и толуольных растворов, а также из хлороформной суспензии углеродных нанотрубок с общей массой каждого покрытия после удаления растворителя 4–10 мкг; регистрируют в режиме реального времени сигналы массива пьезосенсоров в виде площади «визуального отпечатка» (S(τ)); для этого взвешивают 2 пробы сухих пекарных дрожжей, переносят анализируемые пробы в пробоотборники, добавляют предварительно нагретую до 37 °С дистиллированную воду и перемешивают получившиеся растворы, далее измерения проводят следующим образом: через 5 мин газовым шприцем отбирают равновесную газовую фазу над одной пробой водной суспензии дрожжей, вкалывают в ячейку детектирования и фиксируют в течение 1 мин сигналы пьезосенсоров и S1(5), после очистки ячейки детектирования и пьезосенсоров в течение 1-2 мин повторно через 5, 10 и 15 мин отбирают по 1 см3 РГФ и фиксируют S1(10), S1(15), S1(20), через 10 минут от момента перемешивания проб во второй пробоотборник с водной суспензией дрожжей вводят раствор сахарозы, через 5 и 10 мин отбирают 1 см3 РГФ над пробой, фиксируют сигналы массива сенсоров и S2(15), S2(20) и рассчитывают изменения площадей «визуальных отпечатков» сигналов массива сенсоров для 15-й и 20-й минуты измерения (∆S(15) = S2(15) – S1(15), ∆S(20) = S2(20) – S1(20)), отражающие различия в общем содержании летучих веществ в РГФ над пробами при активации сухих дрожжей водой и сахарозой; для оценки качества сухих дрожжей рассчитывают показатель качества дрожжей (ПКД) как разность площадей «визуальных отпечатков» на 20-й и 15-й минуте измерения (ПКД = ∆S(20) - ∆S(15)), отражающий изменение содержания легколетучих веществ в РГФ над пробой дрожжей в процессе активации их сахарозой, если ПКД меньше 0 ± 50, делают вывод о низком качестве дрожжей. Достигается упрощение определения качества сухих дрожжей по сравнению с известными методиками при значительном снижении временных и материальных затрат. 1 пр., 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к аналитической химии пищевых продуктов и может быть использовано для установления фальсификации молока водой. Способ предусматривает использование детектирующего устройства типа «электронный нос», матрицу которого формируют на основе четырех пьезосенсоров резонансного типа. На обезжиренные электроды пьезосенсоров с частотой колебаний 8-10 МГц наносят пленку определенного сорбента массой 10-15 мкг: родамин 6G (Род6Ж), полиэтиленгликольадипинат (ПЭГА), дициклогексан 18 Краун-6N (18-К-6), пчелиный клей (ПчК). Пьезосенсоры выдерживают до установления стабильной частоты колебания, затем отбирают образцы проб, помещают в стеклянные герметичные сосуды с полимерной мягкой мембраной и выдерживают в течение 10-15 мин при температуре 18-22°С. С помощью одноразового шприца отбирают 2 см3 равновесной газовой фазы и вводят в статическую ячейку детектирующего устройства, регистрируют отклики пьезосенсоров в течение 60 с, выбирают наибольший аналитический сигнал ΔFc, рассчитывают отношения сигналов: и , где ΔFРод6Ж - аналитический сигнал пьезосенсора с сорбентом Род6Ж; ΔF18-K-6 - аналитический сигнал пьезосенсора с сорбентом 18-К-6; ΔFПЭГА - аналитический сигнал пьезосенсора с сорбентом ПЭГА; ΔFПчК - аналитический сигнал пьезосенсора с сорбентом ПчК, и сопоставляют с аналогичными показателями для стандартной пробы, при этом одновременно увеличение отношения сигналов по сравнению со стандартом более чем на 30% и уменьшение отношения сигналов более чем на 10% характеризует завышенное содержание воды в молоке, что свидетельствует о фальсификации молока разбавлением его водой. Достигается высокая экспрессность, точность, объективность измерения и надежность определения факта фальсификации молока водой. 1 пр., 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания довзрывных концентраций метана в атмосферном воздухе, и может быть использовано в угольной, металлургической, коксохимической и атомной промышленности, а также в автомобильной промышленности. Полупроводниковый датчик метана содержит диэлектрическую подложку (1) и чувствительный слой (2) с нанесенными на его поверхность металлическими электродами (3) толщиной до 0,2 мкм. Чувствительный слой (2) выполнен на основе сульфида европия, модифицированного добавкой сульфида самария. Концентрация добавки не превышает 25 мол.%. Датчик имеет пониженную рабочую температуру детектирования метана в атмосферном воздухе. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

Изобретение относится к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода и может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия 0,850,15), а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Изобретение обеспечивает при существенном упрощении технологии изготовления определение содержания кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Наверх