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

энергетических зон

 

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 R_A велико, но при напуске газов восстановителей (Н₂, СО и др.) уменьшается по степенной зависимости

 

R_S = K∙C_S^-α, (4.2)

 

где C_S – концентрация газа в воздухе; К и α – константы.

Газовая чувствительность сенсора S_G определяется как отношение сопротивлений сенсора в воздухе R_A и в газовой среде R_S

 

S_G = R_A/R_S. (4.3)

 

Иногда газовую чувствительность оценивают параметром S_G´, определяемым через относительное изменение электропроводности при наличии газа G_S относительно значения на воздухе G_A

 

S_G´ = ( G_S - G_A)/ G_A = G_S/ G_A – 1 = R_A/R_S – 1 = S_G – 1. (4.4)

 

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.