RU2235316C1

RU2235316C1 - Semiconducting gas sensor

Info

Publication number: RU2235316C1
Application number: RU2003116854/28A
Authority: RU
Inventors: И.А. Кировска (RU); И.А. Кировская
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-08-27

Abstract

FIELD: gas analyzing.

SUBSTANCE: gas sensor has semi-conducting base provided with metal electrodes. The base is made of monocrystal indium arsenide.

EFFECT: enhanced accuracy of measurements.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода и других газов.The invention relates to the field of gas analysis, in particular to detection devices used for recording and measuring the content of trace elements of oxygen and other gases.

Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии между теплопроводностью паров вещества и газоносителя [1]. Однако чувствительность такого датчика (детектора) ограничивается на вещества с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа кислорода точность определения невысока.A known sensor (detector) for thermal conductivity, the action of which is based on the difference between the thermal conductivity of the vapor of a substance and a gas carrier [1]. However, the sensitivity of such a sensor (detector) is limited to substances with thermal conductivity close to the thermal conductivity of the carrier gas. For example, when using this sensor for oxygen analysis, the accuracy of determination is low.

Известен также датчик [2], позволяющий определять содержание кислорода с большей чувствительностью, однако он сложен по конструкции: включает селективную мембрану с необходимым для прохождения кислорода размером пор, полость с иммобилизованным флуоресцирующим красителем и устройство для фиксирования степени гашения красителя, которая пропорциональна парциальному давлению кислорода.A sensor [2] is also known, which allows one to determine the oxygen content with greater sensitivity, but it is complicated in design: it includes a selective membrane with the pore size necessary for oxygen to pass through, a cavity with an immobilized fluorescent dye, and a device for recording the degree of dye quenching, which is proportional to the partial pressure of oxygen .

Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами [3].The closest technical solution to the invention is a gas humidity sensor, consisting of a polycrystalline film of zinc selenide doped with gallium arsenide, with metal electrodes deposited on its surface [3].

Недостатком этого известного устройства является его низкая чувствительность к микропримесям кислорода и при этом трудоемкость изготовления, предусматривающего легирование селенида цинка.The disadvantage of this known device is its low sensitivity to oxygen impurities and the complexity of manufacturing, involving the doping of zinc selenide.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика, расширение его функциональных возможностей, в частности обеспечение возможности его применения для анализа кислорода.The objective of the invention is to increase the sensitivity and manufacturability of the sensor, expanding its functionality, in particular, providing the possibility of its use for oxygen analysis.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами, основание выполнено из монокристаллической пластины арсенида индия.The problem is solved due to the fact that in the known gas sensor containing a semiconductor base with metal electrodes deposited on its surface, the base is made of a single crystal indium arsenide plate.

Повышение чувствительности заявляемого датчика по сравнению с известным датчиком [3], принцип его работы демонстрируются чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 - график температурной зависимости изменения электропроводности (Δσ) под влиянием адсорбированного кислорода (рo₂=0,5 Па) и на фиг.3 - градуировочная кривая - зависимость изменения электропроводности (по сравнению с вакуумом) от давления кислорода при комнатной температуре. Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.The increased sensitivity of the inventive sensor compared to the known sensor [3], the principle of its operation is shown in the drawings, where Fig. 1 shows the design of the inventive sensor, Fig. 2 is a graph of the temperature dependence of the change in electrical conductivity (Δσ) under the influence of adsorbed oxygen (po ₂ = 0.5 Pa) and in Fig. 3, a calibration curve shows the dependence of the change in electrical conductivity (as compared with vacuum) on the oxygen pressure at room temperature. The latter clearly demonstrates its sensitivity.

Датчик состоит из монокристаллической пластины арсенида индия 1 с нанесенными на его поверхность металлическими электродами 2.The sensor consists of a single-crystal plate of indium arsenide 1 with metal electrodes 2 deposited on its surface.

Принцип работы такого датчика основан на связи между адсорбционно-десорбционными процессами, протекающими на полупроводниковой пластине, и вызванным ими изменением электропроводности. Работа датчика осуществляется следующим образом. Датчик помещают в исследуемую среду. При адсорбции кислорода, сопровождающейся образованием ионов и ион-радикалов (О $\binom{-}{2}$ , О^- и др.), происходит заряжение поверхности полупроводниковой пластины, соответственно изгиб энергетических зон и, как следствие, изменение концентрации свободных носителей зарядов и электропроводности.The principle of operation of such a sensor is based on the relationship between the adsorption-desorption processes occurring on the semiconductor wafer and the change in electrical conductivity caused by them. The operation of the sensor is as follows. The sensor is placed in the test medium. During oxygen adsorption, accompanied by the formation of ions and radical ions (O $\binom{-}{2}$ , О ^- and others), the surface of the semiconductor wafer is charged, respectively, the energy zones bend and, as a result, the concentration of free charge carriers and electrical conductivity change.

По величине ее изменения с помощью градуировочных кривых можно определить содержание кислорода в исследуемой среде.By the magnitude of its change using calibration curves, you can determine the oxygen content in the test medium.

Из анализа приведенной на фиг. 3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость Δσ от содержания кислорода (Рo₂), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении конструкции позволяет определять содержание кислорода с чувствительностью, в несколько раз превышающую чувствительность известных датчиков [2, 3].From the analysis of FIG. 3 typical calibration curve obtained using the inventive sensor and expressing the dependence of Δσ on the oxygen content (Po ₂ ), follows: the inventive sensor with a significant simplification of the design allows you to determine the oxygen content with a sensitivity several times higher than the sensitivity of known sensors [2, 3].

К достоинствам заявляемого прибора следует также отнести его очень малые размеры (не более 3 мм³) и невысокую стоимость.The advantages of the claimed device should also include its very small size (not more than 3 mm ³ ) and low cost.

Источники информацииSources of information

1. Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высшая школа, 1987.1. Vyakhirev D.A., Shushukova A.F. Guide to gas chromatography. M .: Higher school, 1987.

2. Будников Г.К. Что такое химические сенсоры //Соросовский образовательный журнал. 1998, №3, с.72-76.2. Budnikov G.K. What are chemical sensors // Soros Educational Journal. 1998, No. 3, pp. 72-76.

3. Патент №2161794, М.кл. G 01 N 27/12, 25/56.3. Patent No. 2161794, M.cl. G 01 N 27/12, 25/56.

Claims

A semiconductor gas sensor containing a semiconductor base with metal electrodes deposited on its surface, characterized in that the base is made in the form of a single crystal indium arsenide plate.