Датчики газов данного типа используют полупроводники, в которых для реакций отвечает изменение электрического сопротивления при контакте с газом. Конструктивно 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. Поскольку на поверхности полупроводника происходят химические реакции взаимодействия газов с металлоксидной поверхностью, происходит изменение сопротивления полупроводника, что регистрируют контакты датчика. Обычно напыление проводят из оксидов металлов IV группы (с титаном, цирконием, антимоном, кремнием и т.д.), которые существенно влияют на работу диодов и транзисторов. Уменьшение электрического сопротивления датчика преобразуется в концентрацию газа, которая, в свою очередь, переводится в цифровой аналог для обработки и дальнейшего использования в соответствующем оборудовании.
Полупроводниковый тип. Принцип работы MOS-датчика газа
ШАГ 1 При экспозиции газовых датчиков олова к атмосфере донорные электроны в слое оксида олова притягиваются к молекулам кислорода, которые адсорбируются на поверхности сенсорного материала силами Ван-дер-Ваальса. Это притяжение вызывает истощение электронов в слое оксида олова, известное как типичное легирование, что создает область электрического пространственного заряда на поверхности слоя оксида олова. В соответствии с относительной энергетической разницей между проводящей зоной оксида олова и низшей необработанной молекулярной орбиталью кислорода, адсорбированный кислород выступает в качестве приемника электронов и захватывает донорные электроны слоя оксида олова. В результате поток носители электронов через слой заблокирован, и через сенсорный материал не происходит электрической проводимости. ШАГ 2: Когда восстанавливающие газы контактируют с адсорбированным кислородом, они взаимодействуют с молекулами кислорода, преимущественно в двуступенчатом процессе, включающим адсорбцию и реакцию. Кислород, адсорбированный в материале, считается льюисовской основой, поскольку он может передавать свои свободные орбитали, чтобы редуцировать другое вещество. Восстанавливающий газ считается льюисовской кислотой, поскольку он может принять переданные орбитали. Реакция Льюиса между кислородом и восстанавливающим газом приводит к образованию новых молекулярных видов на поверхности сенсорного материала, таких как оксиды и пары воды. Высвобожденные электроны от адсорбированных молекул кислорода переносятся на слой оксида олова и участвуют в его проводимости, позволяя электрическому току протекать через сенсорный материал и создавать измеряемый выходной сигнал, соответствующий концентрации восстанавливающего газа. Принцип работы Когда полупроводниковые частицы (обычно диоксид олова) нагреваются на воздухе при высокой температуре, к поверхности частиц прилипает кислород, захватывая свободные электроны. Таким образом, область истощения (электронный слой с низкой концентрацией электронов) в значительной степени зависит от радиуса используемых полупроводниковых частиц. Если он такой же маленький, как обычно используется в газовых датчиках (десятки нанометров), истощение может распространяться на всю площадь каждой частицы (объемное истощение, высокая чувствительность). Если же размер намного больше, зато истощение происходит обычно на периферии каждой частицы (региональное истощение, низкая чувствительность). На рисунке 1 показано, как изменяются структура энергетической зоны и распределение проводящих электронов при увеличении частичного давления кислорода от нуля (состояние плоских зон) до состояний I (региональное истощение), II (граничное) и III (объемное истощение). До достижения границы равновесия адсорбции достигается за счет увеличения толщины области истощения. Однако, впоследствии (объемное истощение), уровень Ферми опускается на р kT при переходе от II к III, при сохранении постоянной толщины слоя. Рисунок 1 Рисунок 1. Структура зоны проводимости (вверху) и распределение проводящих электронов (внизу) для полупроводниковых частиц, связанных с увеличением концентрации кислорода на поверхности. На этом этапе теоретически выводятся два важных уравнения для датчика, состоящего из сферических частиц. [e]S = ND exp{ – (1 / 6) (a / LD)2 – p } … (1) R / R0 = ND / [e]S … (2) Здесь [e]S – плотность электронов на поверхности частиц, а LD – длина Дебая. R и R0 – соответственно сопротивление датчика в установившемся состоянии и состоянии плоских зон. При выборе материалов для датчика ND, a, LD и R0 фиксированы, а параметр p зависит от конкретных газовых условий. Как описано выше, MOS-датчики газов меняют сопротивление (R) в результате изменения концентрации кислорода на поверхности. Это позволяет обнаруживать окисляющие газы, такие как оксид углерода. Концентрация оксидов на поверхности снижается в результате его взаимодействия с оксидом углерода, что приводит к уменьшению сопротивления (R) датчика. При исчезновении оксида углерода сопротивление возвращается к исходному уровню, взаимодействие со свежим оксидом углерода вновь вызывает уменьшение сопротивления. Этот механизм обнаружения работает в датчиках, основанных на диоксиде олова.
Газовый датчик полупроводникового типа
Газовый датчик полупроводникового типа
Датчики газов данного типа используют полупроводники, в которых для реакций отвечает изменение электрического сопротивления при контакте с газом. Конструктивно 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. Поскольку на поверхности полупроводника происходят химические реакции взаимодействия газов с металлоксидной поверхностью, происходит изменение сопротивления полупроводника, что регистрируют контакты датчика. Обычно напыление проводят из оксидов металлов IV группы (с титаном, цирконием, антимоном, кремнием и т.д.), которые существенно влияют на работу диодов и транзисторов. Уменьшение электрического сопротивления датчика преобразуется в концентрацию газа, которая, в свою очередь, переводится в цифровой аналог для обработки и дальнейшего использования в соответствующем оборудовании.
Полупроводниковый тип. Принцип работы MOS-датчика газа
ШАГ 1
При экспозиции газовых датчиков олова к атмосфере донорные электроны в слое оксида олова притягиваются к молекулам кислорода, которые адсорбируются на поверхности сенсорного материала силами Ван-дер-Ваальса. Это притяжение вызывает истощение электронов в слое оксида олова, известное как типичное легирование, что создает область электрического пространственного заряда на поверхности слоя оксида олова. В соответствии с относительной энергетической разницей между проводящей зоной оксида олова и низшей необработанной молекулярной орбиталью кислорода, адсорбированный кислород выступает в качестве приемника электронов и захватывает донорные электроны слоя оксида олова. В результате поток носители электронов через слой заблокирован, и через сенсорный материал не происходит электрической проводимости.
ШАГ 2:
Когда восстанавливающие газы контактируют с адсорбированным кислородом, они взаимодействуют с молекулами кислорода, преимущественно в двуступенчатом процессе, включающим адсорбцию и реакцию. Кислород, адсорбированный в материале, считается льюисовской основой, поскольку он может передавать свои свободные орбитали, чтобы редуцировать другое вещество. Восстанавливающий газ считается льюисовской кислотой, поскольку он может принять переданные орбитали. Реакция Льюиса между кислородом и восстанавливающим газом приводит к образованию новых молекулярных видов на поверхности сенсорного материала, таких как оксиды и пары воды. Высвобожденные электроны от адсорбированных молекул кислорода переносятся на слой оксида олова и участвуют в его проводимости, позволяя электрическому току протекать через сенсорный материал и создавать измеряемый выходной сигнал, соответствующий концентрации восстанавливающего газа.
Принцип работы
Когда полупроводниковые частицы (обычно диоксид олова) нагреваются на воздухе при высокой температуре, к поверхности частиц прилипает кислород, захватывая свободные электроны. Таким образом, область истощения (электронный слой с низкой концентрацией электронов) в значительной степени зависит от радиуса используемых полупроводниковых частиц. Если он такой же маленький, как обычно используется в газовых датчиках (десятки нанометров), истощение может распространяться на всю площадь каждой частицы (объемное истощение, высокая чувствительность). Если же размер намного больше, зато истощение происходит обычно на периферии каждой частицы (региональное истощение, низкая чувствительность).
На рисунке 1 показано, как изменяются структура энергетической зоны и распределение проводящих электронов при увеличении частичного давления кислорода от нуля (состояние плоских зон) до состояний I (региональное истощение), II (граничное) и III (объемное истощение). До достижения границы равновесия адсорбции достигается за счет увеличения толщины области истощения. Однако, впоследствии (объемное истощение), уровень Ферми опускается на р kT при переходе от II к III, при сохранении постоянной толщины слоя.
Рисунок 1
Рисунок 1. Структура зоны проводимости (вверху) и распределение проводящих электронов (внизу) для полупроводниковых частиц, связанных с увеличением концентрации кислорода на поверхности.
На этом этапе теоретически выводятся два важных уравнения для датчика, состоящего из сферических частиц.
[e]S = ND exp{ – (1 / 6) (a / LD)2 – p } … (1)
R / R0 = ND / [e]S … (2)
Здесь [e]S – плотность электронов на поверхности частиц, а LD – длина Дебая. R и R0 – соответственно сопротивление датчика в установившемся состоянии и состоянии плоских зон. При выборе материалов для датчика ND, a, LD и R0 фиксированы, а параметр p зависит от конкретных газовых условий.
Как описано выше, MOS-датчики газов меняют сопротивление (R) в результате изменения концентрации кислорода на поверхности. Это позволяет обнаруживать окисляющие газы, такие как оксид углерода. Концентрация оксидов на поверхности снижается в результате его взаимодействия с оксидом углерода, что приводит к уменьшению сопротивления (R) датчика. При исчезновении оксида углерода сопротивление возвращается к исходному уровню, взаимодействие со свежим оксидом углерода вновь вызывает уменьшение сопротивления. Этот механизм обнаружения работает в датчиках, основанных на диоксиде олова.