Способ анализа газов

 

Союз Советски н

Социалнстнчесиин

Реснублнк

О fl И С А H N K (ii).930092

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. санд-ву" (22) Заявлено 21.07,80 (21)2958162/18-25 с присоединением заявки №(23) Приоритет " (51)М. Кл.

G 01 N 27/02

3ЬвуаарстненыН квинтет

СССР но аелэи нзебретеннй н ютнрытнй

Опубликовано 23. 05. 82. Бюллетень № I 9 (53) УДК 543.274 (088. 8) Дата ояублнкования описания 23 ° 05 .82

А. А. Вечер, В. К. Гришин, Л. Е. IJysaeB g А. В. - Юхневйч

Белорусский ордена Трудового Красного 3 он,ни(72) Авторы изобретения (7I) Заявитель государственный университет им. В. И. Ленина (54) СПОСОБ АНАЛИЗА ГАЗОВ

Изобретение относится к гаэовоф анализу, в частности к газоаналиэаторам с твердотельными чувствительными элементами.

Известны конструкции полупроводниковых чувствительных элементов (ЧЭ)

5 для газовых детекторов, электропроводность которых изменяется при взаимодействии с анализируемыми газами.

Такие устройства обычно представляют

10 собой резистор, изготовленный, например, из порошков (поликристаллических пленок) окислов различных металлов и, как правило, включают нагреватель для поддержа ния зада н ной рабочей температуры. В некоторых конструкциях для увеличения чувствительности материал ЧЭ предварительно легируют различными примесями, в том числе — щелочными металлами (1). о

Наиболее близким техническим реыением к изобретению является способ анализа газов по проводимости с использованием газового детектора на основе монокристаллического кремния, заключающийся в подаче на поверхность нагретого до рабочей температуры детектора анализируемого газа и измерении проводимости монокристалла кремния, по величине которой судят о концентрации анализируемого компонента в газе.

Преимущества кремния, как материала ЧЭ, связаны с высоким совершенством современной технологии выращивания и обработки его монокристаллов, что, в свою очередь, определяет хорошую воспроизводимость параметров детекторов, а также возможность совместного изготовления чувствительных элементов и других электронных узлов газовых детекторов в пределах единой интегральной схемы j2).

Однако чувствительность такого способа ограничена относительно низкой химической активностью данного полупроводника, а также наличием тонких пленок окислов и нитридов на

3 930092 поверхности ЧЭ, уменьшающих эффективность адсорбции и препятствующих проникновению анализируемых молекул к поверхности полупроводника.

Цель изобретения - увеличение чучствительности анализа, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу анализа газов по проводимости с использованием газового детектора на основе монокрис- >0 таллического кремния, заключающемуся в подаче на поверхность нагретого до рабочей температуры детектора анализируемого газа и измерении проводимос ти монокристалла кремния, по величине которой судят о концентрации анализируемого компонента в газе, перед подачей газа на поверхность монокристалла кремния осаждают субмонослой атомов щелочного металла с плотностью в не выше 10 ат/см

Температуру чувствительного элемента в процессе измерения стабилизируют в интервале 50-200 С. Целочной металл активирует поверхность д кремния в химическом и электрофизическом отношении, что приводит к увеличению чувствительности анализа при обеспечении указанных режимов работы ЧЭ. Нанесение металла (стадия ак- зр тивирования) изменяет электропроводность приповерхностных слоев полупро" водника вследствие изменения потенциала поверхности в результате ионизации атомов металла при адсорбции. На последующей стадии измерения химически активные ионы металла взаимодействуют с молекулами анализируемых газов с образованием поверхностных атомно-молекулярных комплексов, что вызывает вторичное перераспределение зарядов на поверхности и, как следствие - изменение электропроводности, индуцированной на стадии активирования. Это вторичное изменение электропроводности является сигналом чувствительного элемента, который после усиления приводит в действие регистрирующие приборы.

Плотность активирующего слоя ще5О лочного металла ограничена сверху (10 ат/см ) началом-металлической проводимости покрытия, а снизу (10 ат/см2) - падением чувствительности вследствие уменьшения числа

55 активных центров адсорбции молекул анализируемого газа на поверхности ЧЭ..

Оптимальный период регистрации следует непосредственно за периодом акти1 вации; а динамический диапазон и время непрерывной работы данного варианта ЧЭ определяются числом осажденных атомов металла и давлением газа.

В процессе измерения температуру полупроводника поддерживают постоянной, с численным значением иэ диапазона

50.-200 С, причем нижний предел обусловлен максимально допустимым значением постоянной времени устройства (меньше 10 мин), определяемой, в свою очередь, подвижностью ионов щелочного металла в окисной пленке и ее толщиНой, а верхний предел - падением чув" ствительности, вследствие шунтирующего влияния собственной проводимости полупроводника.

Например, в способе с использованием кремний-литиевого чувствительного элемента газового детектора, предназначенного для измерения низких парциальных давлений различных газов (хлора, кислорода, азота и др,) в вакууме, ЧЭ представляет собой резистор, изготовленный из высокоомного монокристалла кремния в виде пластинки размером 100 х 100 х О,1 мкм с двумя электрическими контактами на противоположных узких гранях. Темпео ратура элемента, равная 150 С, поддерживается постоянной с помощью внешнего нагревателя.

Способ осуществляется следующим образом.

В стадии активирования на приемную площадку ЧЭ (открытую часть по O верхности резистора между контактами) методом термического испарения наносят субмонослой атомов лития, увеличивая исходную проводимость элемента, например, в 10 раз. В последующий рабочий период молекулы анализируемого газа, например кислорода, попадают на приемную площадку, взаимодействуют с ионами лития с образованием поверхностных комплексов (в примере . оксида лития), что сопровождается уменьшением эффективного поверхностного заряда и уменьшением индуцированной проводимости ЧЭ, которое регистрируется соответствующим вторичным прибором с необходимой индикацией интеграла или интенсивности потока молекул анализируемого газа. Умень. шение размера чувствительного элемента до величины порядка микрометра не изменит основных эксплуатационных характеристик. Оптимизированный вариант детектора может иметь чувствительность

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент СВА М 4039941> кл. 6 01 N 27/02, опублик. 1977. гв 2. Патент США И 3831432, кл. 73"23, опублик. 1974 (прототип).

Формула изобретения

Способ анализа газов по проводи" мости с использованием газового деСоставитель Ю. Коршунов

Редактор Т, Киселева Техред H. Tenep

Корректор В, Бутяга

Заказ 3455/54 Тираж 883 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

930092 не хуже 10 Па по отношению к азоту, тектора на основе монокристаллическислороду и некоторым другим газам. кого кремния, заключающийся в подаче

Предлагаемый способ позволяет изме- на поверхность нагретого до рабочей рять парциональное давление остаточ- температуры детектора анализируемого ных газов в высоковакуумных системах. s газа и измерении проводимости моноВ экспериментах с атомными и молеку- кристалла кремния, по величине кото лярными пучками способ с одним или рой судят о концентрации анайиэируматрицей таких чувствительных элемен- емого компонента в газе, о т л итов может обеспечить рекордно высо" ч а ю шийся тем, что, с целью кое пространственное разрешение пото-10 повышения чувствительности анализа

Ъ

Ф ков неитральных атомов и молекул ниэ" перед подачей газа на поверхность кой инте нси вност и. монокристалла кремния осаждают субВысокая чувствительность способа монослой атомов щелочного металла позволяет измерять низкие парциальные с плотностью не выше 10 ат/см . ! давления остаточных газов в вакууме И в объемах малых размеров, например в объемах меньше 1 мм .