Полупроводниковый датчик газа
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
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
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
Иногда газовую чувствительность оценивают параметром SG´, определяемым через относительное изменение электропроводности при наличии газа GS относительно значения на воздухе GA
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.
Полупроводниковый датчик газа
Полезное
При выборе того или иного газоанализатора можно опираться на различные критерии, но критически важно подобрать подходящий для поставленной задачи принцип измерения, руководствуясь типом измеряемого газа, средой, в которой выполняются измерения, и целью.
На сегодняшний день самыми востребованными типами датчиков являются:
• термокаталитический
• термокондуктивный
• полупроводниковый
• электрохимический
• гальванический
• инфракрасный (оптический)
• интерферометрический
• фотоионизационный (ФИД)
• пиролитический
• фотометрический
Термокаталитический
Самый распространенный и универсальный тип датчика, принцип работы которого основан на вычислении количества тепла, выделяемого при сгорании горючего газа или паров в катализаторе. Керамический принцип является разновидностью термокаталитического, однако в отличие от последнего использует другой тип катализатора – мелкодисперсный (керамический). Архитектурно датчик состоит из двух чувствительных элементов – рабочего и компенсирующего. Рабочий элемент представляет собой спираль из драгоценного металла (как правило, платины) и катализатора, чувствительного к горючим газам. Воздушная смесь, содержащая горючий газ, вступает в реакцию с катализатором, увеличивая температуру элемента, и, как следствие, приводит к изменению электрического сопротивления спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа. Компенсирующий элемент состоит из платиновой спирали и стекла, которое не обладает чувствительностью к горючим газам, и предназначен для компенсации окружающих условий.
В данном типе датчиков используется полупроводник с металлоксидным напылением, сопротивление которого меняется при контакте с газом. Датчик состоит из нагревательной спирали и проводника, нанесенного на трубку из глинозёма, а по краям трубки находятся контакты из драгоценного металла, предназначенные для измерения сопротивления. При попадании газа на поверхность датчика он окисляется, что приводит к уменьшению электрического сопротивления, которое преобразуется в концентрацию.
Принцип интерферометрии основан на измерении коэффициента рефракции газа. Архитектурно интерферометрический сенсор состоит из источника света и оптической системы из зеркал, линз, призмы и светочувствительного датчика. Свет от источника разделяется плоскопараллельным зеркалом на два луча (А и В) и отражается призмой. Луч А движется по круговому маршруту через камеру D, наполненную измеряемым газом, а луч В – через камеру E с референсным газом. После этого лучи А и В встречаются в точке С зеркала и, проходя через систему зеркал и линз, формируют на светочувствительном датчике картину интерференции. Данная картина сдвигается в пропорции к разнице в коэффициенте рефракции между измеряемым и референсным газами. Датчик измеряет сдвиг, чтобы измерить коэффициент рефракции, и преобразует его в концентрацию газа или количество тепла.
В основе этого принципа лежит процесс пиролиза измеряемого газа с образованием оксида, частицы которого измеряются датчиком. Пиролитический сенсор состоит из нагревателя, в центре которого находится кварцевая трубка с нагревательным элементом, и датчика частиц, содержащего две камеры – рабочую и компенсационную. Измеряемый газ (например, TEOS или NF3) под воздействием температуры окисляется и попадает в рабочую камеру датчика частиц с источником α-частиц, который используется для ионизации воздуха и возбуждения электрического тока. Как только частицы газа попадают в камеру, они начинают поглощать ионы, приводя к снижению тока ионизации. Это снижение выходного сигнала пропорционально концентрации измеряемого газа. Компенсационная камера позволяет компенсировать флуктуации температуры, влажности и давления окружающей среды.
Читайте также
При выборе того или иного газоанализатора можно опираться на различные критерии, но критически важно подобрать подходящий для поставленной задачи принцип измерения, руководствуясь типом измеряемого газа, средой, в которой выполняются измерения, и целью.
В последние годы на металлургических предприятиях особое внимание уделяется вопросу безопасности. Это связано с участившимися случаями отправления угарным газом, нехватки кислорода, а также опасностью взрыва из-за утечек метана и водорода. Предлагаем вашему вниманию презентацию решений RIKEN для металлургического производства, призванных свести к минимуму риски взрыва и отравления.
В медицинских учреждениях широкое применение нашли технические и медицинские газы, например, жидкий азот (N2), который используется в трансплантации, криотерапии и криобиологии. Низкая температура (-196°C), при которой азот находится в жидком состоянии, обеспечивает длительное хранение донорской крови, плазмы, стволовых клеток, а также органов.
Раннее обнаружение пожара
Полупроводниковые газовые сенсоры
Существующие пожарные извещатели (световые, тепловые, дымовые) способны только на сообщение: «Горим! Пора тушить очаг возгорания!» Но другого и быть не может, поскольку работа их датчиков основана на таких физических принципах, как детектирование света, тепловыделения или задымленности. Получить сообщение «Внимание! Здесь возможно возгорание!» можно только установив постоянный контроль над газодинамическим составом воздушной среды помещений. Такой контроль позволит принять адекватные меры по предупреждению пожара и его ликвидации в зародыше. Этим и интересен разработанный специалистами НПП «Гамма» способ раннего обнаружения пожара с использованием полупроводниковых химических сенсоров, который был отмечен дипломами и золотыми медалями на международных выставках «Брюссель-Эврика 2000» и «Женева 2001».
Так, достоверный способ предупреждения пожара на ранней стадии, предшествующей возгоранию,— это контроль химического состава воздуха, который резко изменяется из-за термического разложения перегретых или начинающих тлеть горючих материалов. На этой стадии еще эффективны превентивные меры. Например, в случае перегрева электроприборов (утюга или электрокамина) они могут быть вовремя автоматически отключены по сигналу с газового датчика.
Состав выделяющихся при горении газов
Ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяются составом именно тех материалов, которые участвуют в этом процессе. Однако в большинстве случаев можно уверенно выделить и основные характерные газовые компоненты. Подобные исследования проводились в Институте пожарной безопасности (г.Балашиха Московской обл.) с использованием стандартной камеры объемом 60 м 3 для имитации пожара. Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии. Эксперименты дали следующие результаты.
Водород (Н2) — основной компонент выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы. На начальной стадии пожара, в процессе тления, концентрация водорода составляет 0,001-0,002%. В дальнейшем происходит рост содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода — оксида углерода (СО) — 0,002-0,008%. При появлении пламени растет концентрация диоксида углерода (СО2) до уровня 0,1%, что соответствует сгоранию 40-50 г древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м 3 и эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. Такой уровень СО2 достигается также в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 ч.
Эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара в атмосферном воздухе при нормальных условиях должен находиться для большинства газов, в том числе водорода и оксида углерода, на уровне 0,002%. Желательно, чтобы быстродействие системы было не хуже 10 с. Такой вывод можно рассматривать как основополагающий для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов.
Существующие средства газоанализа экологической направленности (в том числе на электрохимических, термокаталитических и других сенсорах) слишком дороги для такого использования. Внедрение в производство пожарных извещателей на основе полупроводниковых химических сенсоров, изготавливаемых по групповой технологии, позволит резко снизить стоимость газовых сенсоров.
Полупроводниковые газовые датчики
Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Это обстоятельство позволяет эффективно использовать их в приборах пожарной сигнализации как альтернативные устройства традиционным оптическим, тепловым и дымовым сигнализаторам, в том числе содержащим радиоактивный плутоний. А высокую чувствительность (для водорода — от 0,000001%! ), селективность, быстродействие и дешевизну полупроводниковых газовых датчиков следует рассматривать как основные их преимущества перед другими типами пожарных извещателей. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов сочетаются с современными микроэлектронными технологиями, что обусловливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические и энергосберегающие характеристики.
Для того, чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревается до температуры 450-500°С, что активизирует его поверхность. В качестве чувствительных полупроводниковых слоев обычно используют мелкодисперсные оксиды металлов (SnO2, ZnO, In2O3 и др.) с легирующими добавками Pl, Pd и др. Благодаря структурной пористости формируемых материалов, достигаемой с помощью некоторых технологических приемов, их удельная поверхность — около 30 м 2 /г. Нагревателем служит резистивный слой, выполненный из инертных материалов (Pl, RuO2, Au и др.) и электрически изолированный от полупроводникового слоя.
При кажущейся простоте такие методы формирования сконцентрировали в себе все последние достижения материаловедения и микроэлектронной технологии. Это обусловило высокую конкурентоспособность сенсора, который может работать несколько лет, периодически находясь в «стрессовом» состоянии при разогреве до 500°С, сохраняет при этом высокие эксплутационные характеристики, чувствительность, стабильность, селективность и потребляет низкую мощность (в среднем несколько десятков милливатт). Промышленное производство полупроводниковых сенсоров широко развито во всем мире, но основная доля мирового рынка приходится на японские компании. Признанный лидер в этой области — фирма Figaro с годовым объемом производства сенсоров около 5 млн. шт. и масштабным производством приборов на их основе, включая элементную базу и схемотехнические решения с программируемыми устройствами.
Однако ряд особенностей производства полупроводниковых сенсоров затрудняют его совместимость с традиционной кремниевой технологией в рамках замкнутого цикла. Объясняется это тем, что сенсоры — не столь массовое изделие, как микросхемы, и имеют больший разброс параметров из-за специфики условий работы (зачастую в агрессивной среде). Их производство требует очень специфичного ноу-хау в области физической химии, материаловедения и т.д. Поэтому успех здесь сопутствует крупным специализированным фирмам (например, Microchemical Instrument — европейский филиал Motorola), которые не спешат делиться своими разработками в области высоких технологий. К сожалению, в России и СНГ эта отрасль никогда не была хорошо развита, несмотря на достаточное число исследовательских групп — РНЦ «Курчатовский институт», МГУ, ЛГУ, Воронежский государственный университет, ИОНХ РАН, НИФХИ им. Карпова, Саратовский университет, Новгородский университет и т. д.
Отечественные разработки полупроводниковых сенсоров
Наиболее развитая технология производства полупроводниковых сенсоров предложена в РНЦ «Курчатовский институт». Здесь разработаны малогабаритные полупроводниковые сенсоры для анализа химического состава газов и жидкостей. Они изготавливаются по микроэлектронной технологии и сочетают в себе достоинства микроэлектронных устройств — низкую стоимость при массовом производстве, миниатюрность, низкую потребляемую мощность — с возможностью измерения концентрации газов и жидкостей в широких пределах и с достаточно высокой точностью. Разработанные приборы делятся на две группы: металлооксидные и структурные полупроводниковые сенсоры.
Металлооксидные сенсоры. Изготавливаются по толстопленочной технологии. В качестве подложки в них использован поликристаллический оксид алюминия, на который с двух сторон нанесены нагреватель и металлооксидный газочувствительный слой. Чувствительный элемент помещен в газопроницаемый корпус, удовлетворяющий требованиям взрывопожаробезопасности.
Сенсоры способны определять концентрацию горючих газов (метана, пропана, бутана, водорода и т.д.) в воздухе в интервале от 0,001% до единиц процентов, а также токсичных газов (угарного газа, арсина, фосфина, сероводорода и т.д.) на уровне предельно допустимой концентрации (ПДК). Они могут быть также использованы для одновременного и селективного определения концентрации кислорода и водорода в инертных газах, например для ракетной техники. Для нагрева эти приборы требуют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность — менее 150 мВт. Металлооксидные сенсоры предназначены для применения в сигнализаторах утечки газов и системах пожарной сигнализации (как стационарных, так и карманных).
Структурные полупроводниковые сенсоры. Это сенсоры на основе кремниевых структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), металл-твердый электролит-полупроводник и диоды Шотки.
МДП-структуры с затвором из палладия или платины используются для определения концентрации водорода в воздухе или инертных газах. Порог обнаружения водорода — порядка 0,00001%. Сенсоры успешно применялись для определения концентрации водорода в теплоносителе ядерных реакторов с целью поддержания их безопасности. Структуры с твердым электролитом (трифторид лантана, проводящий по ионам фтора) предназначены для определения концентрации фтора и фторидов (прежде всего фтористого водорода) в воздухе. Работают при комнатной температуре, позволяют определять концентрацию фтора и фтористого водорода на уровне 0,000003%, что составляет примерно 0,1 ПДК. Измерение утечек фтористого водорода особенно важно для определения экологической обстановки в регионах с крупным производством алюминия, полимеров, ядерного топлива.
Подобные структуры, выполненные на основе карбида кремния и работающие при температуре около 500 °С, могут использоваться для измерения концентрации фреонов.
Индикатор оксида углерода и водорода СО-12
Отмеченный на международных выставках способ раннего обнаружения пожара обеспечивает одновременный контроль относительных концентраций в воздухе двух или более газов, таких как ароматические углеводороды, водород, оксид и диоксид углерода. Полученные значения сравниваются с заданными, и в случае их совпадения формируется сигнал тревоги. Контроль и сравнение относительных концентраций газовых компонент проводятся с заданной периодичностью. Возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов исключена, если нет возгорания.
В качестве измерительного устройства предложен индикатор СО-12, предназначенный для обнаружения в воздушной атмосфере газообразного оксида углерода и водорода в диапазоне их концентраций от 0,001 до 0,01%. Прибор представляет собой девятиуровневый пропорциональный индикатор в виде линейки светодиодов трех цветов — зеленого (диапазон малых концентраций), желтого (средний уровень) и красного (высокий уровень). Каждому диапазону соответствуют три светодиода. При загорании красных светодиодов включается звуковой сигнал, предостерегающий людей об опасности отравления.
Принцип работы индикатора основан на регистрации изменения сопротивления (R) полупроводникового газочувствительного сенсора, температура которого стабилизируется на уровне 120 °С в процессе измерений.
При этом нагревательный элемент включен в обратную связь операционного усилителя — терморегулятора — и периодически, каждые 6 с, отжигается в течение 0,5 с при температуре 450 °С. Далее следует изотермическая релаксация сопротивления R при взаимодействии с угарным газом. Измерение R осуществляется перед следующим отжигом (рис. 3, точка C, далее следует отжиг — О). Процессом измерения и выводом на индикатор данных управляет программируемое устройство.
Его основные технические характеристики:
Индикатор можно эффективно использовать в качестве пожарного сигнального устройства как в жилых помещениях, так и на промышленных объектах. Дачные домики, коттеджи, бани, сауны, гаражи и котельные, предприятия с производством, основанном на использовании открытого огня и термообработки, предприятия горнодобывающей, металлургической и нефтегазоперерабатывающей промышленности и, наконец, автомобильный транспорт — вот далеко не полный список объектов, где индикатор СО-12 может быть полезен.
Подобные пожарные извещатели раннего обнаружения, объединенные в единую сеть и контролирующие газовыделение при тлении материалов перед их возгоранием, при размещении на промышленных объектах позволяют предупредить аварийные ситуации не только на наземных объектах пожарной охраны, но и в подземных сооружениях, угольных разрезах, где в результате перегрева оборудования, транспортирующего уголь, может произойти возгорание угольной пыли. Каждый датчик, имеющий световой и звуковой сигналы оповещения, способен не только информировать о степени загазованности территории, но и предупредить об опасности персонал, находящийся в непосредственной близости к экстремальному месту. Стационарные пожарные датчики, установленные в жилых помещениях, могут предотвратить взрыв бытового газа, отравление угарным газом и возникновение пожара из-за неисправности бытовой техники или грубого нарушения условий ее эксплуатации путем автоматического отключения от сети.
Полупроводниковый датчик газов
Датчик содержит электроизолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем, термодатчиком, электродами газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенную в металлокерамический корпус. Подложка выполнена из кремния с расположенным на ней слоем диоксида кремния. Нагреватель и термодатчик выполнены из платины с подслоем титана в виде резисторов типа «Меандр». Электроды газочувствительного слоя изготовлены в виде встречно-штырьевой структуры из того же материала. Газочувствительный слой представляет собой пленку металлооксидного полупроводника. Технический результат: повышение надежности датчика, упрощение его конструкции. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области газового анализа, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных газов.
Распространенная конструкция полупроводникового датчика газа представляет собой электроизолирующую подложку, на которой размещены металлический нагревательный элемент с изолирующим покрытием или без него, термочувствительный элемент для детектирования температуры чувствительного слоя и газочувствительный слой с электродами для генерирования выходного сигнала в ответ на газ, влажность и другие внешние воздействия. Вышеописанные элементы могут быть расположены как на одной стороне подложки, так и с противоположных сторон [1,2].
Однако следует отметить сложность конструкции этих датчиков и технологии их изготовления, ‘а также их высокую стоимость за счет большого числа операций. Кроме того, отмечается существенное ухудшение изоляционных свойств соответствующего покрытия при высоких температурах и в результате этого возникновение электрической связи между элементами датчика, расположенными в различных слоях. Использование нагревателя из диоксида олова может привести к деградации параметров пленки диоксида олова при высоких температурах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является конструкция газового датчика, содержащая толстопленочный резистивный нагревательный элемент из вольфрама и платины, размещенный на одной стороне изоляционной подложки, который сверху покрыт пленкой из оксида алюминия. Поверх пленки нанесены контакты в форме гребенки из благородного металла (золото) для газочувствительного элемента. Газочувствительный элемент представляет собой полупроводник из оксида металла. Сверху вся конструкция покрыта пленкой катализатора из пористого алюминия с включениями платины [3].
Недостатками данного устройства являются необходимость дополнительной межслоевой диэлектрической изоляции и технологическая сложность изготовления прибора. Кроме того, эта конструкция не дает возможности контролировать температуру чувствительного слоя. К недостаткам конструкции также относится необходимость использования драгоценных металлов (золото и платина), что удорожает изделие.
Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение надежности газового датчика.
Это достигается тем, что многослойное устройство заменяется на однослойное, уменьшается количество и вид металлизации, изменяется конструкция нагревателя. Для контроля температуры газочувствительного слоя в данной конструкции предусмотрен термодатчик. Для повышения однородности нагрева однослойной структуры в качестве подложки используются пластины кремния толщиной 400 мкм с высокой теплопроводностью, а расстояние между крайними элементами датчика уменьшается до 1,5 мм. С целью повышения надежности и стабильности датчика при длительной работе в качестве изолирующего слоя использована двуокись кремния, отличающаяся высокой термической стабильностью при температурах работы датчика. Все элементы датчика, кроме чувствительного слоя, выполнены из одного термостойкого и коррозионно-стойкого материала на основе платины.
На фиг.1 представлен вид газового датчика сверху; на фиг.2 — то же, поперечный разрез.
Позиции на чертеже обозначают: подложка из кремния 1; изолирующий слой диоксида кремния 2; нагреватель титан-платина 3; термодатчик титан-платина 4; контакты под чувствительный элемент 5, 6; газочувствительный слой 7; контактные площадки 8.
Газовый датчик представляет собой кристалл кремния, покрытый слоем диоксида кремния, на котором скомпонованы элементы датчика по стандартной планарной технологии. Контактные площадки из платины с подслоем титана сгруппированы по двум длинным сторонам кристалла, с тем, чтобы облегчить выполнение заключительной технологической операции нанесения пленки оксида олова с использованием маски.
Вдоль коротких сторон кристалла размещены две идентичные структуры резисторов на основе платины с подслоем титана, один из которых является нагревателем, другой термодатчиком. Нагреватель и термодатчик имеют одинаковую топологию резистора типа «меандр». Такая конструкция нагревателя имеет стандартное напряжение питания (3, 6, 12 В) и малую потребляемую мощность (менее 1 Вт). Газочувствительный элемент представляет собой поликристаллическую пленку металлооксидного полупроводника, нанесенную на поверхность кристалла через маску. Поскольку удельное сопротивление чувствительного слоя велико, то контактная система, помещенная в центр кристалла, представляет собой встречно-штыревую конструкцию, что оптимально согласуется с зернистой структурой пленок и обеспечивает невысокое номинальное сопротивление чувствительного элемента датчика газа.
На одном кристалле расположены две группы одинаковых электродов встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, включаемые по мостовой схеме. На кристалле полупроводникового кремния расположены два термодатчика-нагревателя для нагрева кристалла и контроля температуры, а также для использования кристалла в качестве термокондуктометрического датчика газа или для измерения скорости газовых потоков. Такая конструкция повышает надежность датчика газового состава за счет дублирования элементов, а также возможности одновременного или параллельного включения наиболее энергонапряженных элементов — нагревателей.
Кристалл помещен в стандартный металлокерамический корпус, легко встраиваемый в газовые системы.
В качестве примера исполнения датчика можно предложить следующую конструкцию. На кристалле размером 2300х3300х400 мкм из кремния, покрытого слоем диоксида кремния, размещены элементы датчика, выполненные по стандартной планарной технологии. Контактные площадки размером 200х200 мкм из платины с подслоем титана сгруппированы по двум длинным сторонам кристалла. Нагреватель и термодатчик, выполненные из платины с подслоем титана, имеют одинаковую топологию резистора типа «Меандр» из пяти звеньев с сопротивлением 40-50 Ом и расположены вдоль коротких сторон кристалла. В центр кристалла помещена контактная системы для газочувствительного слоя из того же материала, представляющая собой встречно-штыревую конструкцию из 17 (8+9) контактных полосок с зазором 20 мкм. Газочувствительный элемент представляет собой поликристаллическую пленку оксида олова, нанесенную на поверхность кристалла через маску высокочастотным магнетронным распылением.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы чувствительный элемент датчика 7 нагревают до рабочей температуры, соответствующей максимальной адсорбции выбранного газа. Нагрев осуществляется путем подачи разности потенциала заданной величины (3- 12 В) на контакты нагревателя 3. Производится регистрация исходного сопротивления газочувствительного слоя 7 и контролируется его рабочая температура термодатчиком 4. Затем датчик помещается в анализируемую газовую смесь. Адсорбция газа приводит к изменению сопротивления пленки газочувствительного слоя. Регистрация изменения велечины сопротивления газочувствительного слоя позволяет судить о концентрации газа в анализируемой бинарной смеси.
Источники информации: 1. Патент Япония N 57-42045, G 01 N 27/12, 1982.
2. Патент ЕПВ N 0265834, G 01 N 27/12, 1988.
3. Патент Япония N 1-196556, G 01 N 27/12, Б(A1-122(1590) 1989 (прототип).
1. Полупроводниковый датчик газов, представляющий собой электроизолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, электродами для газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенную в металлокерамический корпус, отличающийся тем, что на подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, нанесены нагреватель и термодатчик, выполненные из платины с подслоем титана в виде резисторов типа «меандр» и электроды встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, изготовленные из того же материала, а газочувствительный слой представляет собой пленку металлооксидного полупроводника, нанесенного на встречно-штыревые электроды.
2. Полупроводниковый датчик газов по п. 1, отличающийся тем, что на одном кристалле размещены две группы одинаковых электродов встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, включенные по мостовой схеме.
3. Датчик газов по п. 1 или 2, отличающийся тем, что газочувствительный слой представляет собой пленку двуокиси олова.
Типы сенсоров, применяемых в газоанализаторах
Содержание
- Термокаталитический
- Полупроводниковый
- Электрохимический
- Гальванический
- Инфракрасный
- Термокондуктивный
- Интерферометрический
- Фотоионизационный
- Пиролитический
- На что ещё обратить внимание при выборе?
Газоанализатор – это прибор для анализа состава и качества газовой смеси. Такое оборудование обычно востребовано у специалистов по производству и обслуживанию различного оборудования, но может использоваться и в быту: например, для определения мест утечки газа.
При выборе подходящего прибора необходимо ориентироваться на его технические характеристики, ведь нет смысла переплачивать за ненужные опции. В то же время важно точно понимать требования к прибору, чтобы не пришлось докупать дополнительные устройства. Чтобы помочь вам разобраться с вопросом, мы остановимся на самых популярных типах сенсоров в газоанализаторах.
Термокаталитический
Способ работы термокаталитического анализатора строится на контроле тепла. Для этого в конструкцию включена платиновая спираль и катализатор. Когда воздушная смесь с примесью газа вступает в реакцию с катализатором, то температура рабочего элемента увеличивается, что меняет сопротивление спирали.
Применяется для контроля довзрывоопасных концентраций газов.
Быстрая реакция, долговечность и устойчивость к изменениям окружающей среды.
Возможны «отравления» испарениями серы, ртути, свинца. Они требовательны к обслуживанию, не подходят для измерения малых концентраций газов.
Полупроводниковый
Состоит из спирали и проводника с металлоксидным напылением. Именно полупроводник реагирует на наличие газовоздушной смеси: он окисляется, в результате электрическое сопротивление уменьшается и преобразуется в концентрацию.
Подходит для измерения сверхнизких концентраций газов, характеризуется селективностью, устойчивостью к отравлению.
Главное преимущество – в возможности измерения сверхнизких концентраций газов, которые не получится зафиксировать другими сенсорами. Также они устойчивы к отравлениям, характеризуются долговременной стабильностью.
Значимый недостаток – в низкой селективности. Полупроводниковый газоанализатор “сбивают” оксид углерода и пары углеводородов гораздо больше, чем, к примеру, электрохимический сенсор
Электрохимический
Датчик работает на основе электролиза. Три электрода помещены в корпус с электролитом, между двумя из них постоянное напряжение. При наличии газа проходит химическая реакция, которая провоцирует выработку тока на рабочем и интегрирующем электродах. Между током и концентрацией газа наблюдается пропорциональная зависимость.
Такие модели применяются для контроля ПДК газов.
Характеризуются точностью и отличной воспроизводимостью результатов.
Недостатками можно назвать низкую селективность, крупные габариты, необходимость носить с собой реагенты и блоки.
Гальванический
Принцип работы схож с функционированием обычного АКБ. Конструкция включает катод и анод, которые помещены в электролит. К внешней стороне катода фиксируется мембрана. При прохождении сквозь нее кислород окисляется на аноде и восстанавливается на катоде. В результате образуется ток, который конвертируется в напряжение и подается на выход – оно пропорционально уровню кислорода.
Применяется для определения микроконцентраций газов в воздушной смеси.
Простота эксплуатации, увеличенный срок службы по сравнению с электрохимическим, автономная работа и независимость от условий внешней среды.
Для гальванического газоанализатора необходимо подбирать электроды таким образом, чтобы при отсутствии кислорода проявления электродных процессов была минимальной.
Инфракрасный
Функционирование оптического, или инфракрасного, анализатора основано на том, что газы поглощают инфракрасные лучи определенного спектра. Датчик состоит из источника инфракрасного света, сенсора, оптического фильтра и измерительной ячейки. Газ поступает в ячейку и поглощает ИК-свет, датчик реагирует на изменение концентрации поступающего света и выдает результат.
Используется для контроля довзрывоопасных концентраций газов и паров.
Обеспечивает быстрый отклик и устойчивость к сложным условиям среды.
Основной недостаток заключается в определении только одного компонента газовоздушной смеси.
Термокондуктивный
Работает на основе разницы в теплопроводности. Когда рабочий элемент контактирует с газом, меняется теплопроводность, увеличивается температура. В таких моделях газоанализаторов компенсирующий элемент изолирован от газа. Их можно использовать для анализа негорючих газов, в бескислотной среде.
Применяется для измерения больших концентраций газов.
Характеризуется стабильностью показаний и долговечностью.
Малая избирательная способность относительно исследуемого компонента.
Интерферометрический
Газоанализатор измеряет коэффициент рефракции газа. Конструкция включает источник света и оптическую систему. Свет, который зеркало делит на 2 луча, движется разными маршрутами. Световые потоки сходятся в одной точке и образуют картину интерференции на светочувствительном датчике. Сенсор фиксирует разницу в коэффициенте рефракции и на выходе демонстрирует концентрацию газа.
Интерферометрические газоанализаторы применяются для определения концентрации горючих газов, углекислого и элегаза.
Высокая точность, линейность и наличие механизма коррекции, который защищает от влияния изменений параметров окружающей среды.
Сильная подверженность влиянию температуры – на это нужно обращать внимание при эксплуатации прибора.
Фотоионизационный
Фотоионизационные анализаторы подходят для контроля низких концентраций газа, так как обладают повышенной чувствительностью. При попадании в сенсор газ ионизируется посредством УФ света, в результате образуется ток, пропорциональный значению концентрации.
Приборы оптимальны для летучих органических соединений, подходят для обнаружения различных веществ.
Широкий спектр определяемых веществ, возможность фиксации низких концентраций.
Недостатком некоторых моделей является риск попадания частиц пыли в ионизационную камеру, что приводит к уменьшению потока излучения и уменьшению чувствительности прибора.
Пиролитический
За основу взят процесс пиролиза газа, в результате которого образуются оксиды – их количество фиксирует датчик. Он включает нагреватель с кварцевой трубкой и сенсор для частиц с двумя камерами.
Применяется для контроля ПДК газов с высокой токсичностью.
Надежный, долговечный прибор, демонстрирует высокую точность в любых внешних условиях.
На что ещё обратить внимание при выборе?
Помимо типа сенсора, обращайте внимание на другие характеристики:
- функциональные возможности: в продаже имеются индикаторы, течеискатели, газосигнализаторы и газоанализаторы;
- конструкцию: стационарные или портативные;
- назначение и количество каналов измерения.
полупроводниковый газовый датчик
Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Изобретение может быть использовано в экологии. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку, причем основание выполнено из поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности датчика и технологичности его изготовления. 3 ил.
Формула изобретения
Газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака и других газов. Изобретение может быть использовано для решения задач экологического контроля.
Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии между теплопроводностью паров вещества и газа-носителя (Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш. школа, 1987.-287 с.). Однако чувствительность такого датчика (детектора) ограничивается на вещества с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа аммиака, точность определения невысока.
Известен также датчик (Будников Г.К. Что такое химические сенсоры //Соровский образовательный журнал. 1998, № 3. С.75), позволяющий определять содержание аммиака с большей чувствительностью. Однако он сложен по конструкции и механизму получения отклика на присутствие определяемого компонента: включает в качестве преобразователя-полупроводника оксид металла (SnO 2 , In 2 O 3 , Nb 2 O 5 ) и нанесенный на его поверхность адсорбционный слой специального материала, дающий названный отклик. Для получения отклика необходимы такие дополнительные операции, как нагревание до 200-400°С, так как при комнатной температуре он является диэлектриком и не проводит электрический ток, хемосорбция на нагретой поверхности кислорода воздуха, сопровождающаяся образованием отрицательно заряженных ионов O 2 — , О — и взаимодействием последних с определяемым газом (его окислением). Таким образом, электропроводность полупроводникового (оксидного) слоя в воздухе определяется не непосредственно содержанием определяемого газа, а степенью заполнения поверхности хемосорбированным кислородом, которая, в свою очередь, изменяется пропорционально концентрации определяемого газа.
Ближайшим техническим решением к изобретению является датчик влажности газов, состоящий из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки селенида цинка, легированного арсенидом галлия, с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и непроводящей подложки (Патент № 2161794, МПК G01N 27/12, опубликовано 10.01.2007 г.).
Недостатком этого известного устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей аммиака. Кроме того, конструкция датчика предполагает при его изготовлении напыление металлических электродов и прямые адсорбционные измерения, являющиеся трудоемкими операциями.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика при контроле микропримесей аммиака и повышение технологичности изготовления датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание и подложку, согласно заявляемому изобретению полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, нанесенной на непроводящую подложку. При этом исключаются операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких прямых адсорбционных измерений.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 — конструкция заявляемого датчика, на фиг.2 — кривая зависимости величины рН изоэлектрического состояния поверхности ( Н изо ) полупроводников системы CdS-ZnTe, экспонированных на воздухе (а) и в атмосфере аммиака (б), от состава; 3 — градуировочная кривая зависимости изменения рН изоэлектрического состояния поверхности ( pН изо ) полупроводникового основания в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NH 3 (Р NH3 ). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.
Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия, легированного теллуридом цинка, и непроводящей подложки 2 (фиг.1).
Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на непроводящую подложку, и вызывающих изменение рН изоэлектрического состояния, а соответственно силы активных центров ее поверхности.
Работа датчика осуществляется следующим образом.
Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают (или в которой выдерживают) анализируемый на содержание аммиака газ. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки CdS(ZnTe) происходит избирательная адсорбция молекул NH] и изменения рН изоэлектрического состояния поверхности ( рН изо ). По величине изменения рН изоэлектрического состояния поверхности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание аммиака в исследуемой среде.
Из анализа приведенной на фиг.3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость рН изо от содержания аммиака (Р NH3 ), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. Существенное упрощение технологии изготовления датчика обусловлено исключением операции нанесения на полупроводниковое основание металлических электродов и трудоемких измерений адсорбции.
Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,2 см 3 ) в сочетании с малой массой пленки — адсорбента позволяют снизить постоянную датчика по времени до 10-20 мс.
Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.
Источник: