Сенсор на основе твёрдых электролитов

Массочувствительные сенсоры

Термокаталитические сенсоры

Работают на эффекте изменения электрофизических свойств чувствительного элемента в процессе нагрева за счёт энергии выделяющейся в результате каталитической реакции. В данном классе устройств наиболее распространённым являются моноэлектродные сенсоры (пеллисторы), представляющие собой спираль из платиновой проволоки толщиной 5-25 мкм, покрытую слоем керамики (Al₂O₃) поверх которой нанесён слой катализатора (Pt,Ni).

 

Принцип работы основан на тепловом эффекте каталитического окисления газа, сопровождается изменением температуры сенсора и следственно сопротивление платиновой спирали. В пеллисторах вместо керамического покрытия используют полупроводниковые покрытия (SnO₂, In₂O₃).

В качестве МС используют приборы на повторных акустических волнах на основе пьезоэлектриков, в которых деформации наводят поверхностный заряд. Периодические напряжения связанные с механическим резонансом плотно создавать при помощи переменного тока той же частоты, что и резонанс. Механический резонанс определяется массой структуры, разрешение метода 10^-12г.

 

На подложке из пьезоэлектрика 1 формируется четыре системы, тонкоплёночных и встречноштырьевых электродов. Подложка должна иметь поверхность отполированную до оптической точности, т.к. неровности вызывают значительные акустические потери. Одна пара электродов 2 служит для инициирования поверхностно акустической волны путём подачи на них переменного напряжения. Сформированная волна распространяется по поверхности пьезоподложки ко второй паре электродов 3, которая служит для детектирования волны и преобразования её в переменный электрический сигнал. В области распространения волны нанесён слой 4 селективно сорбирующий молекулы детектированного вещества, что сопровождается уменьшением скорости распространения поверхносто-акустичекой волны и следовательно частоты колебаний. Электрические сигналы по двум линиям усиливаются усилителем 5 и поступают на счётчик смешанной частоты 6. Разность в частотах пропорциональна количеству сорбированного вещества, а селективность определяется типом используемого чувствительного слоя.

 

Применяются для определения тех газообразных веществ, чьи ионы при диссоциации обуславливают проводимость твёрдых электролитов (ионы проводников).

Схема керамического сенсора кислорода.

 

Принцип работы сенсоров состоит в том, что поступающий газ диффундирует через пористый рабочий электрод к границе раздела электрод - твёрдый электролит, где происходит его диссоциация с образованием ионов, которые под действием электрического поля диффундируют через чувствительный элемент сенсора к другому электроду.

Принцип действия керамического сенсора кислорода: со стороны катода выполненного либо перфорированным либо в виде растровой системы, происходит сорбция молекул кислорода, которая диссоциирует с образованием заряжённых ионов. Диффундирует через чувствительный элемент к аноду, где разрежается с образованием молекулярного кислорода. Ток в измерительной цепи пропорционален содержанию кислорода в исследуемой атмосфере. Поскольку подвижность ионов не велика для её увеличения чувствительные элементы сенсоров нагревают до 750-1100 ^oC. Так же есть сенсоры чувствительные к водороду, аммиаку. В них чувствительный элемент изготавливается из протонного проводника Sb₂O₅*2H₂O.