Полупроводниковый датчик диоксида азота
SEMICONDUCTOR NITROGEN DIOXIDE SENSOR

2
Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота (NO). 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 диоксида азота точность определения невысока.
2
3
Известен также датчик (сенсор) диоксида азота, состоящий из подложки, выполненной из поликристаллического AlO, чувствительного слоя в виде тонкой пленки из нанокристаллического диоксида олова, в который дополнительно введены наночастицы оксида никеля и золота, и платиновых электродов (Патент RU№ 2464554 М. кл. G01N 27/12, опубл. 20.10.2012). Газовый сенсор для индикации диоксида азота/А.М. Гаськов, М.Н. Румянцева, 2012), позволяющий определять содержание диоксида азота с большей чувствительностью, но имеющий ряд недостатков.
2
Недостатками известного устройства являются низкая селективность по отношению к NO (проявляет чувствительность и к СО), сложность конструкции, относительно высокая (по сравнению с комнатной) рабочая температура (125-200 °С), использование драгоценных металлов (Au, Pt), длительность и трудоемкость (сложность) его изготовления: формирование пленки чувствительного элемента происходит в несколько стадий, включая получение  геля  оловянной  кислоты,  промывку  и  сушку,  модификацию поверхности диоксида олова золотом и оксидом никеля, сушку и последующую прокалку в температурном режиме: 80°С - 24 ч., 120°С - 10 ч., 160°С - 10 ч., 200°С - 10 ч., 300°С - 10 ч. и 350°С - 24 ч., нанесение платиновых электродов. Осуществление такого способа изготовления газового сенсора, отличающегося многостадийностью технологических операций, сопряжено с большими временными затратами.
Ближайшим техническим решением к изобретению (прототипом) (патент RU №2437087, опубл.20.12.2011г.) является газовый датчик, состоящий из полупроводникового основания, выполненного из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного сульфидом кадмия, и подложки, которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.
Недостатками такого устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей диоксида азота. Кроме того, конструкция устройства предусматривает в процессе его изготовления разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля и сам процесс легирования антимонида индия; операции напыления металлических электродов и прямых трудоемких адсорбционных измерений.
Техническим результатом изобретения является создание датчика, характеризующегося повышенной чувствительностью и технологичностью его изготовления.
0,18
0,82
Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (InAs)(CdTe) нанесенной на непроводящую подложку.
Сущность изобретения поясняется чертежом и таблицей, где представлены:
на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика;
изо
2
NO2
на фиг. 2 - градуировочная кривая зависимости изменения pH изоэлектического состояния поверхности (∆pH) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NO(P);
изо
0,18
0,82
в таблице - данные по влиянию диоксида азота на pH изоэлектрического состояния поверхности (∆pH) твердого раствора (InAs)(CdTe).
изо
0,18
0,82
Таблица демонстрирует заметное влияние диоксида азота на pH поверхности полупроводникового основания - поликристаллической пленки твердого раствора (InAs)(CdTe), а градуировочная кривая наглядно указывает на высокую чувствительность полупроводникового основания к диоксиду азота.
0,18
0,82
Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки (InAs)(CdTe), 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 pH изоэлектрического состояния и, соответственно, силы активных центров ее поверхности.
Работа датчика осуществляется следующим образом.
0,18
0,82
2
Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают (или в которой выдерживают) анализируемый на содержание диоксида азота газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (InAs)(CdTe) происходит избирательная адсорбция молекул NO и изменение pH изоэлектрического состояния поверхности. С помощью градуировочных кривых можно определить содержание диоксида азота в исследуемой среде.
изо
NO2
Из анализа приведенной на фиг. 2. типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость ∆pH от содержания диоксида азота (P), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля, самого процесса легирования полупроводникового основания, а также исключением операций нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.
3
Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,2 см) 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 характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.
Таблица
0,18
0,82
Значения pH изоэлектрического состояния поверхности твердого раствора (InAs)(CdTe) при различных обработках
Значения pH изоэлектрического состояния (рН<sub>изо</sub>) поверхности твердого раствора (InAs)<sub>0,18</sub>(CdTe)<sub>0,82</sub>
Экспонирование на воздухе
Экспонирование в аргоне
Экспонирование в диоксиде азота
6,25
5,25
4,6