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-α, (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: 1114;