Результат интеллектуальной деятельности: Полупроводниковый анализатор аммиака

Изобретение относится к области газового анализа, в частности, к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. 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., Шушунова 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 аммиака точность определения невысока.

Известен датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. 1998, №3. С.75), позволяющий определять содержание аммиака с большей чувствительностью.

Однако он сложен по конструкции и механизму получения отклика на присутствие определяемого компонента: включает в качестве преобразователя-полупроводника оксид металла (SnO₂, In₂O₃, ND₂O₃) и нанесенный на его поверхность адсорбционный слой специального материала, дающий названный отклик. Для получения отклика необходимы такие дополнительные операции, как нагревание оксида до 200-400°С, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов О^2-, О^- и взаимодействием последних с определяемым газом (его окислением). Таким образом, электропроводность полупроводникового (оксидного) слоя в воздухе определяется не непосредственно содержанием определяемого газа, а степенью заполнения поверхности хемосорбированным кислородом, которая, в свою очередь, изменяется пропорционально концентрации определяемого газа.

Известен также датчик влажности газов, содержащий непроводящую подложку с нанесенными на нее влагочувствительным покрытием из эпитаксиальной пленки арсенида галлия с металлическими токопроводящими контактами (Авторское свидетельство №541137. М. Кл. G01 №1/11, опубл. 30.12.1976).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность для контроля микропримесей аммиака, а также предусмотренная конструкцией датчика трудоемкая операция выращивания эпитаксиальной пленки арсенида галлия методом газотранспортной реакции.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде эпитаксиальной пленки арсенида галлия, химически активированной путем нанесения фторированного оксидного слоя, с металлическими электродами, представляющими собой металлические индиевые контакты, изготовленные методом вплавления (Авторское свидетельство №1234763, М. Кл. G01N №27/22, опубл. 30.05.1986).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность для контроля микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предусматривает при его изготовлении операции выращивания методом газотранспортной реакции эпитаксиальной пленки арсенида галлия и химической активации полупроводникового основания путем нанесения фторированного оксидного слоя, связанного с использованием агрессивной фтороводородной кислоты.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и непроводящую подложку, согласно изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки твердого раствора (GaAs)_0,75 (ZnSe)_0,25, а подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

При этом исключаются продолжительные, трудоемкие и затратные операции выращивания эпитаксиальной пленки методом сложной газотранспортной реакции по специально разработанной, экологически безопасной технологии и химической активации полупроводникового основания путем нанесения фторированного оксидного слоя, связанного с использованием агрессивной фтороводородной кислоты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривые зависимости величины адсорбции аммиака от температуры при различных начальных давлениях (P_NH3), на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения величины адсорбции (Δα) на полупроводниковой пленке от давления аммиака (P_NH3) при комнатной температуре. Кривые на фиг. 2 демонстрируют заметную адсорбцию аммиака на поверхности полупроводникового основания при комнатной температуре, увеличивающуюся с ростом начального давления (α_3(NH3)>α_2(NH3)>α_1(NH3)); градуировочная кривая на фиг.3 наглядно указывает на высокую адсорбционную чувствительность полупроводникового основания к аммиаку.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (GaAs)_0,75(ZnSe)_0,25, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3 (фиг. 1). Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора и вызывающих изменение его массы (соответственно частоты), пропорциональное изменению величины адсорбции (Δα).

Работа датчика осуществляется следующим образом.

Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают (или в которой выдерживают) анализируемый на содержание аммиака газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки (GaAs)_0,75 (ZnSe)_0,25 происходит избирательная адсорбция молекул NH₃, увеличение массы композиции "пленка - кварцевый резонатор" и изменение частоты колебания последнего, соответствующего величине адсорбции. По изменению величины адсорбции (с изменением давления NH₃) с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг. 3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения величины адсорбции от содержания аммиака (P_NH3) следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков.

Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,2 см³) 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 его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и в динамическом режиме.