Принцип действия металлооксидного газового сенсора основан на хемосорбционном взаимодействии тестируемых газов с поверхностью (или объемом) полупроводникового (в нашем случае SnО2 с проводимостью п-типа) слоя, приводящего к увеличению (в случае газов восстановительного типа) или уменьшению (в случае газов окислительного типа) концентрации электронов в его зоне проводимости.
При взаимодействии СО и СН4 с поверхностью SnО2 происходит увеличение концентрации электронов в зоне проводимости, а значит уменьшение значения электрического сопротивления слоя SnО2. Изменение номинала электрического сопротивления и сигнализирует о наличии тестируемого газа.
Рассмотрим подробнее механизм взаимодействия окиси углерода и метана с кристаллом микросенсора. Перед тем, как тестируемый газ попадает на газочувствительный слой, в течение некоторого времени происходит процесс хемосорбции: на поверхность газочувствительного слоя (SnО2) -"оседают" молекулы кислорода из окружающей среды, далее часть из них проникает вглубь газочувствительного слоя. Молекулы кислорода связывают (сорбируют) электроны, свободные носители заряда, которые находятся в газочувствительном слое. Происходит ионизация кислорода - добавление к внешней электронной оболочке атома кислорода одного - двух электронов. Процесс хемосорбции можно записать реакцией:
___ ___
О2+ е = О2
Молекулы СО и СН4 попадают на поверхность и проникают вглубь газочувствительного слоя – SnО2 . Чтобы могла произойти реакция СО и СН4 в слое SnО2, предварительно необходимо нагреть область реакции газочувствительного слоя до определенной температуры. Необходимо заметить, что для эффективного протекания реакции слоя SnO2 с СО температура нагрева должна лежать в диапазоне 350-400оС, а для СН4 – в диапазоне 400-450оС. Повышенная температура понижает энергию связи молекул адсорбированного кислорода с электронами, что способствует намного более легкому освобождению электронов от молекул кислорода и выходу их в зону проводимости. Для этого служит поликремневый нагреватель, который находится под газочувствительным слоем и изолирован от него слоями SiO2, Та2О5 и Si3 N4 .
Далее идет процесс реакции молекул СО и СН4 с хемосорбированным кислородом. Ускорителями реакции служат катализаторы - тонкие слои полупроводника с легированными компонентами, расположенные поверх газочувствительного слоя.
Уравнение реакции для СО записывается следующим образом:
_ tо _
СО + О2® СО2 + е
Из уравнения реакции видно, что молекулы СО реагируют с молекулами кислорода, идет процесс восстановления кислорода, и высвобождение электронов в зону проводимости. Следовательно, за счет увеличения концентрации свободных электронов происходит уменьшение электрического сопротивления газочувствительного слоя SnО2.
Уравнение реакции для СН4 записывается следующим образом:
_ to_
СН4+О2®СО2+Н2+е
_ to _
СН4+О2®СО2+Н2О +е
Молекулы СН4 реагируют с молекулами кислорода, идет процесс восстановления кислорода, и высвобождение электронов в зону проводимости SnO2. Следовательно, за счет увеличения концентрации свободных электронов происходит уменьшение электрического сопротивления газочувствительного слоя SnО2.
В устройстве, где будет работать сенсор, к контактным площадкам газочувствительного слоя через соответствующие выводы корпуса сенсора должен быть подключен измеритель сопротивления, который настроен на срабатывание определенного порога уменьшения этого сопротивления. На рис. 2.2 проиллюстрирован механизм изменения сопротивления газочувствительного слоя сенсора при введении восстанавливающего газа (для примера выбран СО) и окислительного газа (для примера выбран NOх). На рисунке обозначены моменты начала и конца экспонирования СО двух различных концентраций. При введении в газовую камеру СО концентрацией 30 ppm сопротивление газочувствительного резистора датчика уменьшается, по окончании подачи газа сопротивление газочувствительного элемента принимает свое первоначальное значение, при подаче в камеру СО концентрацией 100 ppm сопротивление сенсора уменьшается на большее значение. На графике наглядно представлен механизм изменения сопротивления чувствительного слоя при реакции с восстановительным газом. Видно, что величина отклика газочувствительного слоя зависит от концентрации газа.
Молекулы кислорода, воды, других примесей, неизбежно присутствующих в окружающей среде, активно участвуют в хемосорбционных процессах, что должно учитываться при оптимизации структуры и состава газочувствительного элемента, а также режимов эксплуатации сенсора. Усложняющим фактором, в первую очередь, в плане долговременной стабильности сенсора является применение мелкокристаллических слоев SnO2 , склонных к структурным перестройкам в процессе долгой эксплуатации при достаточно высоких рабочих температурах, а также миграционным явлением посторонних примесей, концентрирующихся на обширных межзеренных границах структуры SnO2-слоя. Из изложенного следует, что совершенствование чувствительного элемента газового сенсора возможно, используя, рабочие и изолирующие слои с плотной мелкокристаллической структурой, мало изменяющейся при последующих технологических операциях и при эксплуатации сенсора, и введение легирующих примесей, блокирующих процессы структурных преобразований в нем и миграции посторонних примесей.
2.4. Выводы.
1. Исследуемые газовые микросенсоры предназначены для определения наличия и количества контролируемых газовых компонентов в смеси СО-СН4.
2. Показано, что механизм функционирования полупроводниковых сенсоров основывается на хемосорбционном окислительно-восстановительном взаимодействии исследуемого газа с газочувствительным полупроводниковым слоем SnO2, приводящем к обеднению или обогащению носителями заряда зоны проводимости полупроводникового слоя.
3. Выявлено, что процесс взаимодействия исследуемого газа со слоем SnO2 интенсифицируется наличием каталитических элементов на его поверхности и повышением температуры сенсора с помощью интегрированного нагревательного элемента.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.