Полупроводниковые сенсоры.

Химические сенсоры

Определение чистоты химических веществ методом ДТА

Качественный и количественный термический анализ

ДТА позволяет природу и число фаз в смесях природных материалов, руд, солей. Составляющие смесь компоненты обнаруживают по тепловым эффектам свойственному каждому индивидуальному веществу. Эффекты плавления и кипения зависят от наличия примесей и поэтому не могут служить для идентификации вещества в смеси. В случае совпадения температурных эффектов на термограммах смесей эти вещества могут быть идентифицированы по эффектам разложения полиморфных превращений, типичных для данных веществ. Если компоненты смесей образуют друг с другом химические соединения, то это приводит к смещению характера термограммы. Появления или исчезновения эффектов, присущего определённым веществам. Всё это может служить для качественного определения отдельных фаз и превращения в сложной системе.

Определение примесей в твёрдых телах основано на точном измерении температуры плавления, которая является характерной физико-химической константой и приводится в справочной литературе. Температура плавления ниже даже при незначительном количестве примесей (0.005%). На этом принципе основывается криоскопический метод определения чистоты. В криоскопических расчётах применяется уравнение Рауля и Вант-Гоффа.

X=100*(ΔH_f/K*T_o²)*ΔT

X – мольная доля примеси в каждой фазе

Δt – понижение температуры плавления по отношению к чистому веществу в К.

ΔH_f – теплота плавления чистого вещества, Дж/моль

К – универсальная газовая постоянная

Т_o – температура плавления чистого вещества в К.

Плавление твёрдого вещества является фазовым переходом и сопровождается эндотермическим эффектом, потому легко регистрируется на кривой ДТА.

 

Применение уравнения ограничено следующими условиями:

1) основное вещество и примесь растворимы в жидком состоянии и совершенно не растворимы в твёрдом состоянии

2) Количество примесей должно быть менее 5%

3) твёрдая и жидкая фаза находятся в термодинамическом равновесии.

 

Химические сенсоры – электронные приборы, предназначенные для контроля за содержанием в окружающей среде частиц того или иного вида.

Принцип действия основывается на эффекте преобразования величины сорбции определяемых частиц непосредственно в электрический сигнал, пропорциональный количеству частиц, сорбированных из окружающей среды.

 

ПС являются одними из наиболее простых устройств, для газового анализа. Пс представляют собой плёночный резистор, изменяющий своё сопротивление при взаимодействии с детектируемым газом. В качестве чувствительных элементов таких сенсоров используют тонкие плёнки полупроводниковых материалов ( оксид олова, SnO₂, In₂O₃, ZnO, WO₃).

 

Сенсор представляет собой систему элементов, включающий абсорбционно чувствительный полупроводниковый слой 1, снабжённый электрическими контактами 2, сформированных на изоляционной подложке 3, т.к. температуры детектирования газов высоки от 50 до 700 подложку снабжают нагревательным элементом и средством контроля температуры 4 (плёночные терморезисторы).

Система растровых электродов на которые осаждается плёнка абсорбционно чувствительного материала позволяет снизить электрическое сопротивление чувствительного элемента. Сопротивление чувствительного элемента зависит от химической природы и количества абсорбированных из газовой фазы частиц.

На поверхности проводника n-типа при хемосорбции кислорода локализуется отрицательный заряд образованный захваченными электродами, что приводит к обеднению приповерхностного слоя. Когда сорбируется анализируемый газ, взаимодействующий с сорбированным кислородом проводимость приповерхностной области существенно возрастает, если газ обладает восстановительными свойствами и уменьшается если окислительными. Для полупроводников p-типа всё наоборот.

Скорость протекающих процессов и их обратимость зависит от температуры. Выходным сигналом таких сенсоров является относительная чувствительность, то есть относительное изменение сопротивления чувствительного элемента до и вовремя воздействия детекрируемого газа. Чем выше относительная чувствительность тем выше точность показаний и разрешающая способность сенсора. Поскольку газы различной природы приводят к однотипным изменениях в полупроводниках при абсорбционных взаимодействиях такие сенсоры обладают низкой селективностью.

Селективность сенсоров по отношению к различным газов добиваются путём выбора температурного диапазона детектирования, легированием материала чувствительного элемента каталитически активными добавками, которые могли бы активировать одну реакцию и ингибировать другие, вариация структурой поверхности совместным спеканием различных оксидов и т.д.