Нанополупроводниковый газовый датчик

Авторы патента:

G01N27/12 - твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой

Владельцы патента RU 2530455:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Изобретение может быть использовано в экологии. Датчик микропримесей аммиака содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической нанопленки сульфида кадмия, легированного теллуридом кадмия. Подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков. 3 ил.

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

Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры?// Соровский 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, Nb₂O₅) 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 °C, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов O₂ ^-, O^- 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.

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки (Патент №2161794, МПК G01N 27/12, опубликовано 10.01.2001).

Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении операцию напыления металлических электродов, что является трудоемкой операцией.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности изготовления датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и подложку, согласно заявляемому изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической нанопленки сульфида кадмия, легированного теллуридом кадмия, а подложка - в виде электродной площадки пьезокварцевого резонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены : на фиг.1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - кривая зависимости величины адсорбции аммиака от температуры, на фиг.3 - градуировочная кривая зависимости изменения частоты колебания пьезокварцевого резонатора с нанесенной полупроводниковой пленкой (Δf) в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH₃ (P_NH3). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической нанопленки сульфида кадмия, легированного теллуридом кадмия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его массы, а соответственно частоты колебаний Δf.

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 нанопленки CdS(CdTe) происходит избирательная адсорбция молекул NH₃, увеличение массы композиции «пленка-кварцевый резонатор» и изменение частоты колебания последнего. По величине изменения частоты 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 Δf от содержания аммиака (P_NH3), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающую 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. 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 аммиака, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической нанопленки сульфида кадмия, легированного теллуридом кадмия, а подложка выполнена в виде электродной площадки пьезокварцевого резонатора.

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

Способ изготовления чувствительного элемента датчиков газов с углеродными нанотрубками // 2528032

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для контроля токсичных и взрывоопасных газов и в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых сред.

Полупроводниковый газоанализатор // 2526226

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано в экологии. Датчик согласно изобретению содержит полупроводниковое основание и подложку, причем основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида кадмия, легированного сульфидом цинка, нанесенной на непроводящую подложку.

Газовый датчик // 2526225

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода. Датчик микропримесей оксида углерода содержит полупроводниковое основание и подложку.

Способ калибровки полупроводниковых сенсоров газа и устройство для его осуществления // 2523089

Изобретение относится к области анализа газов. Способ калибровки полупроводникового сенсора реализуется с помощью программно-аппаратного измерительного комплекса и состоит в том, что циклически заданное количество раз (K раз) нагревают чувствительный элемент сенсора в чистом воздухе (ПГС-1) до температуры Т1 и охлаждают до температуры Т2, далее в течение следующих K циклов нагрева и охлаждения подают поверочную газовую смесь ПГС-2 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих K циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-3 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих К циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-N в область чувствительного элемента, строят семейство из N=4 временных зависимостей проводимости газочувствительного слоя σ(t) для каждой газовой смеси и для фиксированного в цикле момента времени ti определяют градуировочную характеристику.

Электрический сенсор на пары гидразина // 2522735

Изобретение может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Электрический сенсор на пары гидразина содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, при этом чувствительный слой состоит из структуры графен-полупроводниковые квантовые точки, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность квантовых точек пропорционально концентрации паров гидразина в пробе.

Способ получения газочувствительного материала на основе оксида цинка к парам ацетона // 2509302

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для изготовления полупроводниковых газовых сенсоров, предназначенных для детектирования паров ацетона в воздухе.

Способ измерения полисостава газовых сред // 2504760

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе согласно изобретению предлагается использовать число датчиков, соответствующее числу неизвестных компонент, подлежащих измерению.

Электрохимический сенсор и способ его получения // 2502992

Изобретение может быть использовано, в частности, при определении незначительных количеств химических и биохимических веществ, таких как газы или биомолекулы. Согласно изобретению предложен способ получения электрохимического сенсора с детекторной зоной, электрическая проводимость которой (σ) устанавливается посредством туннельных, ионизационных, или прыжковых процессов, и в которой устанавливается электрохимическое взаимодействие с определяемым заданным веществом; при котором детекторную зону получают путем локального приложения энергии, предпочтительно путем индуцированного электронным лучом осаждения, при котором находящиеся в газообразной форме вещества-предшественники, присутствующие в зоне осаждения в непосредственной близости к подложке, энергетически активируются для преобразования, причем продукты преобразования осаждают в твердой и не летучей форме на подложке.

Способ определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна // 2502991

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности для исследования пластов, определения их остаточной водонасыщенности, для оперативного контроля влажности на нефтепромысловых скважинах.

Способ изготовления газового сенсора с наноструктурой и газовый сенсор на его основе // 2532428

Изобретение относится к изготовлению газовых сенсоров, предназначенных для детектирования различных газов. Предложен способ изготовления газового сенсора, в котором образуют гетероструктуру из различных материалов, в ней формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников. Газочувствительный слой формируют в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния с помощью центрифуги с последующим отжигом. На поверхности подложки предварительно методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм. Золь приготавливают в два этапа: на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, а на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323; соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05; двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут. Предложен также газовый сенсор с наноструктурой, изготовленный по предлагаемому способу. Технический результат - повышение чувствительности газового сенсора. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Способ изготовления материала газового сенсора селективного детектирования н2s и его производных // 2537466

Изобретение относится к области нанотехнологии сенсорных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых газовых сенсоров, селективных к содержанию в воздухе сероводорода и его производных. Сущность изобретения состоит в создании наногетерогенного материала на основе нитевидных кристаллов оксидов n-типа проводимости SnO2, ZnO, In2О3 и иммобилизованных на их поверхности нанокластеров оксидов p-типа проводимости CuO, NiO, Со3O4. Способ изготовления включает получение нитевидных кристаллов из пара и пропитку кристаллов растворами солей с последующим отжигом для формирования р-n гетероконтактов. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности газового сенсора селективно к H2S и его производным в воздухе.2 з.п. ф-лы, 2 пр.

Способ формирования пленок, содержащих поли-n, n-диметил-3, 4-диметиленпирролидиний цианид, на поверхности оксидных стекол // 2541715

Использование: для определения содержания паров воды в воздушной среде. Сущность изобретения заключается в том, что при формировании пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде выполняют последовательное нанесение на поверхность оксидного стекла поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорида аэрозольным распылением и гексацианоферрата(III) калия ультразвуковым распылением в соотношении 3:1 с образованием поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианидной пленки, селективной по отношению к парам воды. Технический результат: обеспечение возможности получения тонких пленок контролируемой толщины, увеличение стабильности, селективности пленки на поверхности оксидных стекол по отношению к содержанию влаги в воздушной среде и улучшение метрологических характеристик измерения величины электрической проводимости.

Полупроводниковый датчик кислорода // 2546849

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания кислорода. Газовый датчик согласно изобретению содержит диэлектрическую подложку с нанесенным слоем полупроводникового материала толщиной от 0,07 мкм до 0.2 мкм. На слой нанесены металлические электроды. В качестве полупроводникового материала используется поликристаллический материал состава Sm1-xLnxS, где x изменяется от 0 до 0.14, а Ln представляет собой один из элементов: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Изобретение обеспечивает возможность изготовления датчика для измерения содержания кислорода, обладающего повышенной чувствительностью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.

Полупроводниковый газоанализатор угарного газа // 2548049

Использование: для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый газоанализатор угарного газа содержит полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, при этом полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,26(CdSe)0,74. Технический результат: повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика. 3 ил.

Экспрессный способ оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс // 2555775

Изобретение относится к аналитической химии, а может быть использовано для оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс. Для этого используют многоканальный анализатор газов (МАГ-8) с 8-мью пьезокварцевыми резонаторами, электроды которых модифицируют нанесением растворов полидиэтиленгликольсукцината, полиэтиленгликольсебацината, полиэтиленгликольфталата, полифенилового эфира, триоктилфосфиноксида, пчелиного клея, пчелиного воска и комбинированного сорбента - пчелиного клея с хлоридом железа (III). После удаления растворителя при температуре 40-50°C в течение 15-20 мин, масса пленки сорбента составляет 15-20 мкг. После этого модифицированные пьезокварцевые резонаторы помещают в закрытую ячейку детектирования МАГ-8 и выдерживают в течение 5 мин для установки стабильного нулевого сигнала. Затем в пробоотборник помещают 5,00 г измельченного образца фенолформальдегидной пластмассы, плотно закрывают полиуретановой пробкой и выдерживают при температуре 20±1°C в течение 15 мин для насыщения газовой фазы парами фенола. Затем отбирают 3 см3 равновесной газовой фазы через полиуретановую пробку и инжектируют ее в закрытую ячейку детектора МАГ-8, фиксируют в течение 120 с изменение частоты колебаний пьезосенсоров и рассчитывают площадь «визуального отпечатка» Sв.о., Гц·с по формуле Sв.о.=f(Сф), S=1959·Сф+35. Для расчета предварительно строят калибровочный график зависимости Sв.о., Гц·с от концентрации фенола Сф, мг/дм3. Если площадь Sв.о.≥130±10 Гц·с, то концентрация свободного фенола в равновесной газовой фазе над фенолформальдегидными пластмассами Сф>0,05 мг/дм3 превышает рекомендуемый уровень для пищевых пластмасс, а при Sв.о. >260 Гц·с и выше, регистрируется высокое содержание фенола и формальдегида. Изобретение позволяет быстро оценить безопасность изделий из фенолформальдегидных пластмасс с 5% погрешностью измерений. 2 ил., 1 пр.

Полупроводниковый анализатор диоксида азота // 2561019

Использование: для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Сущность изобретения заключается в том, что датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)0,94(CdTe)0,06, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, селективности датчика и технологичности его изготовления. 3 ил., 1 табл.

Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения // 2562178

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии водорода в различных конструкционных материалах, используемых в космической и атомной технике, в изделиях, подвергаемых наводороживанию и облучению в процессе эксплуатации. Для управления электронным пучком в вакуумной камере расположены отклоняющие пластины, проходя которые, электронный пучок облучает с определенной частотой различные места поверхности металлической мембраны-образца. одна сторона которого, находящаяся в электролитической ячейке, насыщается водородом, диффундирующим к противоположной стороне образца-мембраны, встроенной герметично в торец вакуумной камеры и одновременно облучаемой отклоняемым пучком электронов от электронной пушки. Технический результат - повышение точности измерения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Полупроводниковый газоанализатор угарного газа // 2565361

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. Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Устройство для определения утечек взрывоопасных жидкостей на основе пьезосенсора // 2568331

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. Сущность изобретения заключается в том, что устройство с открытым входом для контроля утечек взрывоопасных жидкостей на основе пьезосенсоров содержит частотомер с функцией непрерывного измерения скорости изменения аналитического сигнала с шагом τ=10 с (ΔF/Δτ, Гц/с) одного пьезосенсора с устойчивым и чувствительным покрытием электродов; сигнальным световым или звуковым устройством, срабатывающим при скачкообразном повышении скорости изменения аналитического сигнала вследствие быстрого повышения концентрации паров жидкостей в околосенсорном пространстве относительно фонового значения; устройством для крепления сигнализатора в местах контроля утечек жидкостей; дополнительной перфорированной крышкой, крепящейся ко дну ячейки детектирования, которая не препятствует самопроизвольной диффузии паров взрывоопасных жидкостей в околосенсороное пространство и предохраняет пьезосенсор от механических повреждений. Технический результат: обеспечение возможности непрерывного контролирования утечки взрывоопасных жидкостей (в том числе органических растворителей, аммиака, керосина, бензина) и оповещения с помощью светового или звукового сигнала о быстром повышении концентрации паров в околосенсорном пространстве относительно фонового значения. 2 ил., 2 табл.