Полупроводниковые датчики газов

Принцип действия таких датчиков основан на изменении поверхностного сопротивления полупроводниковой пленки в результате адсорбции молекул газа.

Полупроводниковые датчики просты, дешевы, универсальны, могут использоваться для определения процентного содержания любых газов в воздухе. Чувствительный элемент датчика состоит полупроводниковой монокристаллической пленки окисла металла: SnO2, In2O3, ZnO, MoO3 или других. Окислы большинства металлов являются широкозонными полупроводниками с высоким удельным сопротивлением. За счет легирования примесями или из-за нарушений стехиометрического состава они обладают электронной или дырочной проводимостью. Например, SnO2 с дефицитом кислорода является полупроводником n-типа с шириной запрещенной зоны 3,5 эВ. Поверхностная проводимость пленок за счет локальных поверхностных состояний имеет меньшее значение по сравнению с объемной – рис. 4.1.

 

 

Рис. 4.1. Энергетическая схема полупроводника n-типа,

иллюстрирующая поверхностное искривление

энергетических зон

 

Абсорбция поверхностью сенсора молекул газа – доноров электронов, например, любого горючего (окисляющегося) газа типа Н2, СО, СН4, С2Н5ОН и других, приводит к уменьшению искривления зон и к уменьшению поверхностного сопротивления, которое пропорционально концентрации молекул газа. Адсорбция молекул газов O2, O3, Cl2 и других –акцепторов электронов – увеличивает поверхностное сопротивление. Для увеличения вклада поверхности в общую проводимость пленки используют мелкозернистые поликристаллические слои. Сопротивление сенсора в чистом воздухе RA велико, но при напуске газов восстановителей (Н2, СО и др.) уменьшается по степенной зависимости

 

RS = K∙CS, (4.2)

 

где CS – концентрация газа в воздухе; К и α – константы.

Газовая чувствительность сенсора SG определяется как отношение сопротивлений сенсора в воздухе RA и в газовой среде RS

 

SG = RA/RS. (4.3)

 

Иногда газовую чувствительность оценивают параметром SG´, определяемым через относительное изменение электропроводности при наличии газа GS относительно значения на воздухе GA

 

SG´ = ( GS - GA)/ GA = GS/ GA – 1 = RA/RS – 1 = SG – 1. (4.4)

 

Адсорбция любого газа зависит от температуры; каждый газ имеет свою характерную температуру максимальной адсорбции. Поэтому селективность датчика определяется его рабочей температурой. Другой способ повышения селективности – легирование пленок определенными примесями.

Для удаления адсорбированного газа с поверхности чувствительного слоя датчик нагревают до температуры десорбции молекул адсорбированного газа (более 500 ºС). После десорбции датчик снова готов к работе. При разных рабочих температурах одним датчиком можно контролировать разные газы при различных рабочих температурах. Простота конструкции, малая потребляемая мощность, возможность измерения концентраций любых газов в воздухе являются достоинствами датчиков. К недостаткам полупроводниковых датчиков относятся невысокая селективность к разным газам, невозможность контроля двух и более газов в воздухе, отравление газочувствительного слоя некоторыми веществами.

 








Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 1102;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.006 сек.