Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода

Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода

Реферат

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 O₂ (Р_О2) 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 (Р_О2). 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 (Р_О2), 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.