07_Sen_gas (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

9

Датчики параметров жидкостей и газов.

Качественные (наличие определенного газа) и количественные (концентрация) параметры определяются с помощью физических и химических эффектов, в том числе хемосенсора и биосенсора . Механизмами отклика могут быть изменения

- проводимости σ (кондуктометрический), сопротивления ρ, R (резистивный), тока I (амперометрический),

- потенциала электрода U (кулонометрический),

- емкости С,

- (сдвига) вольт - амперной U/I характеристики транзистора (МДП или на органических полимерах),

- цвета λ (спектроскопический или люминесцентный),

- коэффициентов затухания α, отражения (КСВН) электромагнитного излучения (радиочастотного и оптического диапазонов), добротности резонаторов,

- частоты f ультразвуковых и электрических колебаний балки («кантилевера») или кварцевого резонатора из-за изменения массы m.

Кондуктометрический датчик для контроля электролита на химико - гальваническом участке использует зависимость удельной электропроводности раствора  от его концентрации К. Сопротивление измерительной ячейки с плоскими электродами: R = A /  S, где A - расстояние между электродами, S - площадь электродов. Концентрация К оценивается по изменению тока I в измерительной цепи. Поскольку при прохождении тока через раствор происходит электролиз, используют переменный ток с частотой 700 - 1000 Гц. Существенная температурная зависимость концентрации требует ее учета или компенсации. Неоднозначность зависимости требует дополнительно грубого определения области измерений.  К    R  I U.

На датчик, состоящий из подложки с поверхностным адсорбирующим покрытием, подается постоянное напряжение. Амперметр показывает изменение тока при увеличении числа электронов, т.е. проводимости, в результате реакции между поглощенным веществом и покрытием.

Рис. 3.2.2.6. Схема амперометрического определения адсорбированного вещества.

Кондуктометрическим методом определяется концентрация СО₂ в водном растворе углекислоты, где в результате диссоциации образуются ионы Н⁺ и НСО₃ ^- в количествах, зависящих от парциального давления СО₂ в воздухе.

Для определения концентрации фенола в воде используется амперометрический метод, где биологической субстанцией является фермент. На керамику напыляются электроды из Pt и Ag. Фермент со специальной пастой наносится на измерительные электроды и отверждается с помощью ультрафиолетового излучения. Фенол диффундирует в фермент, изменяя концентрацию носителей заряда, т.е. ток между электродами.

Аналогично построен датчик газа СО для оценки загазованности. Толстопленочное покрытие, включающее полупроводник n-типа SnO₂, адсорбирует на своей поверхности СО. В результате реакции с кислородом образуется СО₂ и освобождается электрон, увеличивая проводимость.  К  - R  I U. Датчик может быть объемным, тонкопленочным и толстопленочным резистором. Модифицированный датчик используется также для СО₂, паров органических растворителей этанола, ацетона.

.

Для датчиков параметров жидкостей и газов удобно использовать пористые материалов (М03-05). Датчик располагается в газовом потоке для идентификации взрывоопасных газов Н₂, СН₄, С₃Н₈. Газ наполняет поры в кремниевой подложке. В зависимости от концентрации газа изменяется электропроводимость структуры Принудительное нагревание с помощью резистора R_th позволяет выйти на диапазон зависимости с максимальной крутизной для получения высокой чувствительности.

Рис.3.2.2.9. Кремниевый датчик газового потока с пористой структурой.

Кулонометрический датчик рН основан на зависимости ЭДС гальванической цепи от химической активности ионов электролита, т. е. от концентрации ионов и окислительно-восстановительных процессов в электролите. Датчик используется для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора. Водородный показатель рН = 7 для дистиллированной воды, рН>7 для кислот, рН<7 для щелочей. Потенциал электрода зависит от кислотности раствора V = f ( pH ).

Для получения электродного потенциала между водородом и раствором, содержащим ионы Н⁺ , используют т. н. электрод Кларка (адсорбирующий Н), например, из платины. Чем больше ионов Н⁺, тем больше положительный потенциал (+V). Кислородосодержащая среда с ионами О^- обусловливает отрицательный потенциал (– V).

При диссоциации кислот ионов Н⁺ больше. Из-за сложности измерения абсолютного потенциала используют относительное, что реализуется с помощью электрода постоянного потенциала.

U Усилитель I

U_k R mA

V

Емкость с раствором

Рис. Схема рН-метра.

Н₂ - Для определения концентрации водорода Н используется свойство адсорбции Н поверхностью палладиевого затвора МДП транзистора. Н диффундирует через слой палладия к границе раздела металл-диэлектрик. При этом происходит изменение контактной разности потенциалов и сдвиг вольт - амперной характеристики транзистора на величину, пропорциональную концентрации Н в газовой среде. Для увеличения быстродействия транзистор подогревают до 150 ⁰ С.

В газоанализаторах используется также частотный отклик. В зависимости от массы адсорбированного газа изменяется частота кварцевого резонатора. Если кристалл кварца покрыть гигроскопичным материалом, то его резонансная частота будет зависеть от концентрации (массы) адсорбируемого вещества.

Δf = - Cf f₀² Δm / S, где

Δf – сдвиг часты, Δm – изменение массы, f – основная частота, S – площадь резонатора.

Рис. Кварцевый резонатор с чувствительным покрытием.

Резонатор может быть выполнен в виде консольной балки – кантилевера (cantilever) – из пьезоэлектрика Si. При длине балки 500 мкм резонансная частота составляет 50 КГц. Акустические колебания (вибрации) возбуждаются напыленными электродами с использованием прямого пьезоэффекта. Решетка балок с различными адсорбирующими покрытиями позволяет создать многопараметрический газоанализатор.

Адсорбционное покрытие может быть нанесено на консоль. Наличие вещества будет изменять частоту вибрации консоли. Изменение может быть зафиксировано по модуляции отраженного лазерного излучения или изменению емкости, связанной с усилителем или генератором. Набор консолей с различными параметрами позволяет одновременно определять весь набор веществ. (S01-04a) – функционирование многоконсольного определителя веществ – «нос».

Рис. 3.2.2.8. Изображение многоконсольного датчика (вверху) и схема адсорбции различных веществ.

В газоанализаторах используется также частотный отклик. В зависимости от массы адсорбированного газа изменяется частота резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (М08-03). Если поверхность электродов ПАВ и поверхность акустического путепровода покрыть гигроскопичным материалом, его резонансная частота будет зависеть от концентрации (массы) адсорбируемого вещества, аналогично кварцевому резонатору. (S01-04c) - функционирование газоанализатора на ПАВ.

Оптические датчики.

Оптическое излучение характеризуется интенсивностью J - количеством световой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, нормальной к падающему свету. В объеме вещества:

x

A

n₁ n₂

J r J ( 1 - r₁ ) e ^{- A}

J

J ( 1 - r₁ ) e ^{- X} J ( 1 - r₁ ) e ^{- A} ( 1 - r₂ ) e ^{-  ( X - A )}

Отражение Поглощение Прохождение

Рис. Схема распространения светового излучения. [ n₁ , n₂ - показатели преломления сред, r₁ и r₂ - коэффициенты отражения от границ раздела сред ,  - коэффициент поглощения. Коэффициенты отражения:

r₁ = (( n₂₁ - 1 ) / ( n₂₁ + 1 ))² , r₂ = (( n₁₂ - 1 ) / ( n₁₂ + 1 ))² , где n₂₁ = n₂ / n₁ ,

n₁₂ = n₁ / n₂ ( при n₁ < n₂ (n₁₂ <1) возможно прохождение луча лишь в том случае, если не выполняется условие полного внутреннего отражения : sin  < n₁₂). ]

Такие параметры веществ, как концентрация, температура, влияют на их оптические характеристики: показатель преломления n, коэффициент поглощения , угол вращения плоскости поляризации . Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для

- определения загрязненности промывочных составов,

- измерения концентрации растворов (например, травильных) или газов (оксида углерода, метана...) в многокомпонентных газовых смесях.

Оценка может производиться непосредственно по абсолютной величине поглощения излучения или сравнением с эталоном.