НИР: Газочувствительный элемент газового сенсора

Инженерный практикум. Отчёт: «Газочувствительный элемент газового сенсора»

Содержание

Техническое задание
Анотация...... 1
Введение...... 2
Теоретическая часть...... 5
Практическая часть...... 7
Экспериментальная часть...... 11
Заключение...... 14
Список литературы......15
Описание патента на изобретение...... 16

Введение

Газовые сенсоры это своего рода искусственный нос человека, призваный обогатить наши ограниченные природные данные по восприятию запахов, в том числе недоступных человеческому носу. Ведь известно, что многие ядовитые (СО — угарный газ и др.) и взрывоопасные (Н2 — водород, СН4 — метан и др.) газы не имеют ни цвета, ни запаха. Частично эту проблему можно решить, используя обоняние животных, но лучше все таки иметь надежный физический прибор для обнаружения различных газов и определения их количества в воздухе, так как 2—3% водорода или метана уже образуют взрывоопасную гремучую смесь. Наличие в воздухе примесей некоторых газов научились контролировать еще в XVIII в. по определенным химическим реакциям, а позднее — по спектрам излучения и поглощения света или с помощью масс-спектроскопии. Однако сделать на этих принципах компактный недорогой прибор, улавливающий разнообразные газы, пока не представляется возможным.

При исследовании первых полупроводниковых материалов (ZnS, Ge и др.) было замечено, что электрофизические свойства их поверхности зависят от состава окружающей газовой атмосферы. Именно это обстоятельство заставило в дальнейшем тщательно герметизировать все полупроводниковые приборы и интегральные схемы, чтобы переменный газовый состав окружающей среды не влиял на электрические параметры изделий.
Начало практическому использованию эффекта влияния газов на электрические свойства
поверхности полупроводников положил в 60_х годах японец Н.Тагучи. На основе керамического SnO2 он изготовил газочувствительное устройство, электросопротивление, которого изменялось пропорционально концентрации некоторых газов в воздухе, и запатентовал его.
Позже было установлено, что практически все окислы металлов, являющиеся полупроводниками, обладают газовой чувствительностью. В настоящее время изготавливают датчики газов на основе SnO2, ZnO, NiO, CuO, TiO2, ZrO2, Y2O3, WO3 и других окислов.

По принципам действия современные датчики газов многократного действия условно можно разделить на 4 группы:
1 — термокондуктометрические ячейки;
2 — каталитические ячейки;
3 — топливные ячейки;
4 — полупроводниковые датчики.

Работа термокондуктометрической ячейки основана на сравнении теплопроводности исследуемой пробы газа с теплопроводностью чистого воздуха или другого известного газа. К сожалению, метод удобен лишь для контроля заранее известных газов, сильно отличающихся по теплопроводности от воздуха — водорода, гелия, двуокиси углерода,
диоксида серы и некоторых других. Достоинство метода — в простоте конструкции датчика и возможности измерять концентрации конкретных газов от 0 до 100%. Но смеси неизвестных газов с неизвестной величиной теплопроводности таким способом контролировать нельзя.

Каталитическая (термохимическая) ячейка предназначена для обнаружения только горючих газов, например, монооксида углерода в автомобильном выхлопе или в окружающем воздухе, либо метана при утечке бытового газа. В измерительной ячейке такого датчика находятся одновременно две включенные в мостовую схему нагревательные спирали при одинаковой температуре, одна из которых покрыта активным катализатором. При попадании в ячейку горючего газа (СО) он будет реагировать с кислородом воздуха на катализаторе, сгорая и образуя диоксид углерода (СО2). При этом выделяется тепло, повышающее температуру и, соответственно, электросопротивление спирали пропорционально количеству сгорающего газа. Такой датчик позволяет обнаруживать концентрации СО на уровне 10–4%. Недостаток ячейки — низкая селективность к разным горючим газам и невозможность обнаружения негорючих газов. Датчик такого типа называется пеллистор.

С помощью топливной, или электрохимической ячейки можно обнаружить наличие исключительно кислорода или газа, содержащего кислород (например, воздуха). В такой ячейке имеются два электрода, между которыми расположен жидкий или твердый электролит, например ионный проводник ZrO2 с примесью Y2O3. Если между двумя электродами (внутри выхлопной трубы и снаружи) концентрация ионов кислорода меняется, возникает ионный ток, или электродвижущая сила, пропорциональная разности концентраций ионов кислорода. Величина возникающего электрического поля служит мерой содержания кислорода. По такому принципу работает λ_зонд для контроля количества кислорода в выхлопном газе автомобиля (контроль степени сгорания топлива) и для регулировки работы карбюратора. Работа λ_зонда требует температуры не менее 500°С, которую обеспечивают горячие выхлопные газы.

В настоящее время наиболее распространены и перспективны полупроводниковые датчики газов из перечисленных выше оксидов металлов. Принцип их действия основан на том, что в результате физической адсорбции молекул газа на поверхности полупроводника его поверхностное сопротивление изменяется пропорционально числу адсорбированных молекул (или концентрации газа в воздухе). Физическая адсорбция обусловлена главным образом силами Ван_дер_Ваальса и имеет обратимый характер, поскольку стойкие химические соединения не образуются.
Иными словами, после завершения цикла измерения концентрации конкретного газа датчик можно нагреть до температуры, превышающей энергию связи Ван_дер_Ваальса, и осуществить десорбцию молекул газа. В результате датчик будет готов к повторным измерениям. Метало - оксидный чувствительный элемент датчика имеет мелкокристаллическую структуру. В процессах адсорбции и десорбции газов участвуют приповерхностные слои микрокристаллов, поэтому чем больше отношение поверхности кристаллов к их объему, тем эффективнее работа датчика, тем выше его чувствительность к газам.
Современные полупроводниковые датчики газов способны обнаруживать посторонние газы в воздухе в объемных концентрациях. Газовая чувствительность зависит от температуры сенсора, и для каждого газа существует своя характерная температура, при которой чувствительность к нему данного сенсора максимальна. Физическая адсорбция молекул газа на поверхности происходит в результате нескольких процессов: ионизации атомов, их взаимодействия с поверхностными состояниями, образованием слабых связей, разрывом слабых связей, изменением зарядового состояния вакансий и т.п. Причем некоторые процессы приводят к увеличению концентрации электронов в полупроводнике с ростом температуры, а другие процессы при нагревании сопровождаются захватом свободных носителей. Поэтому температурная зависимость газовой чувствительности имеет вид кривой с максимумом. Например, для SnO2 максимальная чувствительность к водороду достигается при 320°С, к спирту — при 330°С, к ацетону — 360°С и т.п. Таким образом, задавая определенный температурный режим работы датчика, можно «настроить» его на распознавание тех или иных газов. Селективность также можно повысить с помощью легирования сенсора различными примесями, чувствительными к конкретным газам (Pd для Н2, Сu для SO2 и т.п.).