Способ определения компонентов газовой смеси

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 78489 27/О 1)5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) РЕТЕНИЯ ОПИСАНИЕ И АВТОРСКО ИДЕТЕЛ ЬСТВУ М 4 нау лити биС етель 1985, детельс 1984, ЕДЕЛ МЕСИ Изобретение относится к аналитическо- втбрых; в данйом сйоСобе облучение не исму приборостроению и может быть исполь- . пользуется для увеличенйя скорости десорзовано для определения и измерения бции с поверхности полупроводйика в различных компонентов газовой смеси. области необратимой хемосорбции; зИзвестен способ измерения анализируе-, третьих, облучаются молекулы анализируемого компонента с помощью адсорбционныХмого газа, а не сам проводник; Известен полупроводниковых чувствительных элемен- способ ИК-спектроскопйи при анализе сметов, Так, известно повышение адсорбции 02 сей и идентификации чистых веществ. Однако на 2 пО при освещении оптическимизлучени- этот способ измерения реализуется с поемвследствиевозникновениядополнительных" мощью физическойадсорбции, а не с по- Ф адсорбционных активных. центров. Аналогич-. мощью хемосорбции. Кроме того, при этом ОО но исследована адсорбция 02 на Т 1 02 при температура йе моЖет йревышатьтемперату- ЧО Т = 500 С. Однако из-за низкой избиратель- ра 150 - 170 С и по сравнению с обычной ности полупроводниковых чувствительных температурой хемосорбции температура не элементов к компонентам газовой смеси ониможет снизиться на 50 - 70 С, т,е. данныл у не нашли широкого применения в отечест- способ не лежит в температурном интерва- ф венном и зарубежном приборостроении.,.ле хемосорбции,Известен способ определения концентрации кислорода в воздухе, при котором на Наиболееблизким кизобретениюявляповерхность полупроводникового чувстви-ется"способ измерения, компонентов газс- тельногоэлементавоздействуютсветомсдли- вой смеси, содержащий перестраиваемыл ной волны, соответствующей собственному по частоте лазер, вход блока управления поглощению полупроводника или короче . перестройкой. частоты излучения котороо Однако, во-первых. длина волны 230 - подключен к выходу генератора линейно и - 290 нм не совпадает с заявляемыми; во- меняющегося напряжения.(71) Всесоюзныиский институт анроения(54) СПОСОБ ОПРТОВ ГАЗОВОЙ С(57) Использование: аналитическое приборостроение, определение и"измерение различных компонентой газовой смесй. Сущность чно-исследователь- изобретенйя: анализируемый газ пропускают ческого приборост- надоблучением адсорбционным полупроводйиковйм чувствительным элементом при воэ- И.Яковенко :действиинаполупроводниковыйчувствительнь,й ство СССР %1274453, элементизлучением вйолбСе энергетического поглощения адсорбированных на поверхности тво СССР %1168842; чувствйтельного элемента молекул анализируемого компонента йри температуре хемосорб- ЕНИЯ КОМПОНЕН- ции анализируемогокомпонента на данномчувствительном элементе. 4 ил.20 30 45 50 55 Недостаток способа состоит в низкой точности и отсутствии гарантированного ответа о наличии либо отсутствии данного компонента в газовой смеси, Это объясняется тем, что в данном способе измерения возбуждаются различные адсорбционные поверхностно-активные центры, Известно, что молекулы различных газов адсорбируются на " различных поверхностно-активных центрах, : Но "способ измерения в таком случае предполагает наличие однородной энергетической поверхности, что невозможно в реальных полупроводниках. Поскольку реальная поверхность энергетически неоднородна, так как каждый вид адсорбционных активных центров, имеющий свою энергию возбуждения, находится в равновесии на энергетической поверхности полупроводника только в не- возбужденном состоянии, то при активации такого адсорбированного центра произойдет перераспределениеэнергетическихуровней на всей поверхности полупроводника. В результате такого перераспределения мешающие компоненты могут адсорбировэться и на других поверхностно-активных центрах. Поэтому данный способ измерения и является неточным, а при низких концентрацияхмешающих компонентов не дает гарантированного ответа о наличии либо отсутствии данного компонента Цель изобретения - повысить точность определения различных компонентов газовой смеси, .Укэзэнная цель достигается тем, что на пол уп ро вод ни ко вый чувствител ьн ый элемент воздействуют излучением в полосе энергетического поглощения адсорбированных на поверхности чувствительного элемента молекул анализируемого компонента при температуре ниже температуры хемосорбции анализируемого компонента на данном чувствительном элементе,Предлагаемый способ измерения бтличается от известных физической природой процессов, протекающих при взаимодействии молекул с поверхностью полупроводникового чувствительного элемента, В теоретических работах различных авторов рассмотрен вопрос о влиянии на хемосорбцию электромагнитных излучений при воздействии излучений на полупроводниковый чувствительный слой, при котором возбуждается поверхностные активные центры. При анализе много- компонентных газовых смесей улучшение избирательности таким путем достичь не удалось, тэк кэк на возбужденных активных центрах происходит хемосорбция и мешающих компонентов, В "случае химической адсорбции адсорбированные частицы образуют квэнтово-механическую систему,5 10 15 В предлагаемом способе измерений хемосорбированные частицы трактуются как"примеси", внедренные в поверхность металла, т,е. как, некоторые структурные дефекты,нарушающие строго периодическое строение поверхности, При такой же трактовке хемосорбированная частица и решетка участвуют в электронном обмене в пределах единой квантово-механической системы. При трактовке хемосорбированных частиц как поверхностной "примеси" стирается принципиальное различие между хемосорбированными частицами и "биографическими" структурными дефектами. Различие состоит в том, что хемосорбированные частицы способны уходить с поверхности в газовую фазу и приходить с нее на поверхность, в то время как "биографические" дефекты прочно связаны с поверхностью.В ряде теоретических работ было показано, что хемосорбированная частица, рассматриваемая как структурный дефект поверхности, оказывается центром локализации для свободного электрона решетки,служа для него ловушкой и выступая в функции акцептора для свободного электрона, Или же это зависит от природы частицы) она может служить центром локализации для свободной дырки, выступая в функции донора, Из указанного выше вытекает, что для электронного обмена между рещеткой кристалла и адсорбированной на поверхности частицей при недостаточной энергии эктивации необходимо увеличить либо энергию адсорбированной молекулы, либо энергию поверхностных частиц кристалла. В связи с тем, что хемосорбировэнные частицы способны уходить в газовую фазу, .то при их возбуждении и обмене с частицами кристалла электронами, они не нарушают сложившегося распределения между частицами кристалла, Физический смысл предлагаемого способа. измерения (определения) компонентов газовой смеси состоит в следу" ющем, Рассмотрим электрон, который необходимо перевести в зону проводимости (фиг,1), При сообщении атому дополнительной энергии, он может перейти в возбухденное состояние, При этом часть электронов перейдет на более высокие энергетические уровни, а часть уровней окажется на занятой (свободной), Очевидно, что дополнительная энергия, сообщаемая атому для перевода его в возбужденное состояние, должна быть не меньше ширины запрещенной зоны,Только в этом случае энергия будет достаточной для перевода электрона на более высокий разрешенный уровень. Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны Л Е50Более полно для молекулы анализируемого компонента газовой смеси энергия, необходимая для хемосорбции, т,е, энергия, необходимая для возникновения химичетельном слое при температуре 300+10 С светового монохр 6 матического потока излучения в полосе поглощения молекул СО (А = 21000 см при коэффициенте поглощения К = 9%) На фиг,З и 4 приведены графики, полученные при температуре чувствительного слоя 300 С при одних и тех же концентрациях компонентов газовой смеси при воздействии и без воздействия светового излучения,ской связи с переводом электрона в зону 55 проводимости, на поверхности полупроводникового чувствительного слояЕмо + Емв+ ЕмтЕвч,(2) соответствует минимальной энергии, ко- где Емю - энергия невозбужденной молеторую необходимо сообщить электрону, кулы анализируемого компонента; Емв -находящемуся в валентнойзоне, чтобы пе- энергия резонансного возбуждения вревести его в зону проводимости. Электро- полосе поглощения молекулы анализину, находящемуся в валентной зоне, 5 руемого компонента; Емт . - энергиябезразлично, за счет какой энергии он пол- тепловой активации молекулй анализйучит свою часть Ь.Е для перехода в зону руемого компонента,адсорбированной на.проводимости. Такую энергию онможет полупроводниковом чувствительном слое;получить за счет теплового, оптического, Ехвм - энергия, достаточная для воэникномагнитного, ультразвукового и т,д, возбуж вения химической связи и перевода электдения атома(молекулы) рона в зону проводимости, Для молекулПоскольку механизм адсорбционно-де- . остальных компонентов газовой смеси:сорбционного равновесия очень сложны,ограничимся простым рассмотренйем мо- " мю+ мтМкем, (3)дели предла: аемой в формуле изобретейия15(фиг,2), где 1-атом (молекула) газа, адсорби- где Емо -энергия невозбужденной молекурованная на чувствительном слое; 2-атом. лы мо 1-й неанализируемой .компоненты;чувствительного слоя, 3-валентная зойа ато- . Емт - энергия тепловойактйвации "молекума газа; 4-валентная зона чувствительноголы мт 1-й" неанализируемой компоненты,слоя; 5-зона проводимости атома газа; 6-зо адсорбированной на полупроводниковомна проводимости атома чувствительного чувствйтельном слое; Ехвм - энергия, дослоя; 7-свободный электрон атома чувстви- статочная для воэйикновения химической.тельного слоя; 8-нагреватель чувствитель- связи и переводаэлектронавзонупроводиного слоя. Абсорбированный атом таза мости. Из указанного выше следует, чтобудет возбуждаться теплом, передаваемым 25 энергию, достаточйуюдля протекания злекот чувствительного слоя Т и излученйем А. тронных процессов, будут иметь только мо.которое соответствует полосе поглощения лекулы анализируемого компонейта,данного газа, Таким образом, ширина за- Рассмотрим примеры реализации предлага-прещенной зоны преодолена за счетемого способа измерейия. При работе .со30 структуоой ЕпСо 04 с модификаторами дляЛ Е= Е 1+ Е 2+ Ез, (1) .,: обнаружения СОбылоустановлено,чтополученный чувствительный слой изменяетгде Е 1 - . собственная энергия электрона; проводимость при наличии паров этиловогоЕг - .энергия, полученная при тепловом воз- спирта, бензина и ацетона, При концентрабуждении; Ез - энергия, полученная при 35 ции.компонентов вйае 20 мг/м измерениевозбуждении излучением, Поскольку в мно- СО становится невозможным, так как сиггокомпонентной газовой смеси при облуче- нал, получаемый за счет воздействия мешанииразличйойчастотойбудут возбуждаться ющих компонентов, становится сравним столькр молекулы (атомы) того газа, для кото- сигналом, получаемым за счет воздействиярого данная частота лежит в полосе погло на чувствительный слой СО при концентращения. то мы и получим механизмции СО до 10. Все исследования былиизбирательного анализа многокомпонент- проведены на датчике. Температура чувстной системы. Снижение температуры ниже вительного слоя составляла 420 - 450 С,температуры хемосорбции здесь также не- При снижении температуры чувствительнообходимо, иначе член Ер уравйения (1) мо го Слоя ниже 200 ОС датчик не выдал сигналжет стать достаточным для преодоленияпри концентрации СО до 25% и концентраэлектроном запрещенной зоны, т.е.: .ции мешающих компонентов до 2000 мг/мд,Выход был найден при воздействии на моЬЕ = Е 1+ Е 2. лекулы СО, адсорбированные на чуествь1784897 Тчу 8 сг 4, ирф "- 500 С Я. =210 Осмк"-3 Ж оставитель М, Вайнтраубехред М.Моргентал . Корректор А, Козориз актор Т,ров венно.издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина каз 4361 Тираж ВНИИПИ Государственного коми 113035, МоскаПодписноепо изобретениям и открытиям при ГК