Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода

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.

 

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 (Вихиряев Д.Ф., 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. G01N 27/12, опубл. 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: Из-во ОмГТУ, 2001. С. 159), основанный на контакте металл - полупроводник (GaAs), на связи изменения контактной разности потенциалов (КРП) с давлением газа (О2) 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 измерения 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 полупроводникового твердого раствора теллурида кадмия, легированного селенидом кадмия, состава (CdSe)0,5(CdTe)0,5, 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 кислорода на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, от температуры, на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости величины адсорбции кислорода на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, от давления O2О2) при комнатной температуре. Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора на основе селенида и теллурида кадмия - (CdSe)0,5(CdTe)0,5, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих при разных давлениях на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и сопровождающихся изменением величины адсорбции с изменением давления.

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 О2. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки теллурида кадмия, легированного селенидом кадмия, (CdSe)0,5(CdTe)0,5 происходит избирательная адсорбция молекул О2, ее увеличение с увеличением давления (РО2). По величине изменения адсорбции 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 величины адсорбции от содержания кислорода (РО2), следует: заявляемый датчик, при существенном упрощении технологии его изготовления, позволяет определять содержание кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающей 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 статическом, но и динамическом режиме.

Датчик микропримесей кислорода, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора теллурида кадмия, легированного селенидом кадмия, - (CdSe)0,5(CdTe)0,5, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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..

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

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.

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 способу изготовления газовых датчиков и применяется для получения газочувствительного материала, который выполнен на основе диоксида титана, нанесенного на сапфировую подложку, и предназначен для регистрации содержания микропримесей оксида углерода и кислорода. Способ получения газочувствительного материала на сапфировой подложке, заключающийся в том, что из пленкообразующего раствора тетраизопропоксида титана получают газочувствительный материал на сапфировой подложке методом центрифугирования, который затем подвергают сушке и отжигу. Газочувствительный материал подвергают лазерному отжигу с использованием излучения импульсного твердотельного Nd:YAG-лазера с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 50-100 нс и средней мощностью 80-100 Вт. Изобретение обеспечивает возможность повышения качества кристаллической структуры и стабильности газочувствительных характеристик пленки газочувствительного материала за счет модификации ее кристаллической и дефектной структуры в процессе лазерного отжига. 2 ил.

Изобретение относится к способу формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде на поверхности подложек из оксидных стекол. Технический результат – увеличение электрической проводимости, повышение чувствительности к содержанию паров воды в воздушной среде и улучшение микротвердости, однородности. На подложку из оксидного стекла наносят поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид методом вытягивания из водного раствора концентрацией 5-20% масс. с постоянной скоростью 2-3*10-6 м/с. Затем поверх него с использованием метода ультразвукового распыления наносится гексацианоферрат (II) калия в количестве, обеспечивающем массовое соотношение гексацианоферрата (II) калия к поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлориду, равное 2,3±0,1:1, в результате чего образуется поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианид. 2 ил.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания (1), выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (GaAs)0,75 (ZnSe)0,25, и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3). Изобретение позволяет при существенном упрощении технологии изготовления датчика 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 для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdSe)0,85(CdTe)0,15 и подложки, которой служит электродная площадка 2 пьезокварцевого резонатора 3. Датчик, выполненный согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления, позволяет определять содержание оксида углерода 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 0,50,5, 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.

Наверх