Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

СЕНСОРЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ. (ОБЗОР)

Белянкин С.Е.
В данной работе, будут рассмотрены физические принципы работы и основные характеристики следующих газоаналитических сенсоров: оптические сенсоры, сенсоры на основе органических соединений, сенсоры на основе тонких пленок оксидов металлов. Более подробно будут рассмотрены последние, как одни из наиболее перспективных.

1. Оптические сенсоры

Поглощение электромагнитного излучения молекулой газа может привести не только к возбуждению электрона, но также к изменениям колебательной энергии и вращательной энергии. Поглощение видимого ультрафиолетового и рентгеновского излучений вызывает изменение электронной энергии молекул. Поглощение инфракрасного излучения приводит к изменениям колебательных и вращательных состояний молекул. Эти эффекты используются в абсорбционной спектроскопии, которая является методом определения химического состава газа, поскольку получаемые спектры поглощения однозначно характеризуют его. Измерение интенсивности электромагнитного излучения, поглощаемого газовой смесью, зависит от природы газа и позволяет, таким образом, определить концентрацию данного газа в смеси [1].

Оптические сенсоры можно разделить на две подгруппы: активного и пассивного типов.

В сенсорах активного типа имеется чувствительный слой, в котором на молекулярном или фазовом уровне введены молекулы аналитических реагентов, вступающие в специфическое взаимодействие с молекулами контролируемого сенсором газа.

Оптические сенсоры, в которых отсутствует реагентная фаза, являются пассивными.

2. Сенсоры на основе органических соединений

Одно из важнейших направлений в газовом анализе - контроль токсичных неорганических газов: NOХ, H2S, NH3 и др.

Фталоцианины рассматриваются как один из наиболее перспективных материалов для определения оксидов азота. Чувствительностью к NOХ обладают пленки CuPc (Pc - фталоцианин), PbPc, TiPc2 и CuTTBPc (тетратретбутилзамещенный фталоцианин меди). Селективный по отношению к моноокиси углерода, метану и кислороду SAW - преобразователь на NH3, функционирующий при комнатной температуре, разработан на основе полипиррола, химически связанного с поверхностью предварительно сформированной методом Ленгмюра-Блоджетт пленки стеарата железа. Чувствительна к аммиаку также хеморезисторы на основе фталоцианина индия, легированного ионами кислорода.

Создание газочувствительных покрытий для газовых сенсоров с улучшенными характеристиками осуществляется двумя основными методами: синтезом новых соединений; модификацией свойств уже известных. Однако анализ результатов исследований позволяет сделать вывод о том, что наиболее значительные улучшения характеристик сенсоров наблюдаются при использовании подхода, основанного на применении композитных материалов. Данный способ заключается в использовании смесей двух и более компонентов, один из которых высокочувствителен к определенному газу, а другой инертен по отношению к первому веществу и аналиту. Функция инертного компонента сводится к приданию новых качеств композиту. Как пример, происходит существенное повышение быстродействия, чувствительности и возможность снижения рабочей температуры со 150 до 30...40 °С сенсора на NO при использовании вместо чистого фталоцианина его смеси с арахиновой кислотой.

3. Сенсоры на основе тонких пленок оксидов металлов

Основными представителями тонкопленочных датчиков являются датчики на основе оксида олова. Они представляют собой трубчатую подложку из оксида алюминия, на которую нанесен тонкий слой оксида олова (SnO2). Для обеспечения более высокой чувствительности этого полупроводника к конкретному типу газовой примеси его легируют элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd). Датчик нагревается до рабочей температуры (около 400 °С) при помощи нагревательного элемента, выполненного в едином конструктиве с датчиком.

Рассмотрим физический принцип работы этого датчика. При нагреве поликристаллических оксидов металлов, в частности SnO2, молекулы кислорода из воздуха адсорбируются на поверхности этих оксидов и, захватывая электрон из материала, становятся ионами. Отрицательно заряженные ионы отталкивают электроны проводимости от поверхности, уменьшая их концентрацию и оставляя нескомпенсированные положительно заряженные донорные центры, и формируют потенциальный рельеф поверхности. Состав оксида SnO2-х говорит о наличии вакантных ионов кислорода, которые являются донорами.

На границах кристаллитов существует потенциальный барьер, определяющий электропроводность. Ионы кислорода, адсорбированные на поверхности, повышают барьер и значительно увеличивают сопротивление для протекающего тока. Появление восстанавливающего газа приводит к его реакции с кислородом на поверхности с последующим испарением продуктов реакции и уменьшает сопротивление датчика. Зависимость сопротивления датчика от концентрации восстанавливающего газа (для некоторого диапазона концентраций этого газа) может быть выражена следующим уравнением:

R =А(С)                         (1)

где R - электрическое сопротивление сенсора; А, α - константы; С - концентрация газа.

3.1. Характеристики TGS-датчиков

  • При понижении парциального давления кислорода сопротивление датчика уменьшается.
  • Согласно формуле (1), зависимость сопротивления датчика от концентрации газа носит экспоненциальный характер (линейна в логарифмическом масштабе) в пределах рабочего диапазона концентраций газа (от единиц до нескольких тысяч долей ррm).
  • Сопротивление чувствительного элемента очень быстро снижается при воздействии восстанавливающего газа, а затем возвращается за короткое время к первоначальному значению после помещения в чистый воздух. Скорость реакции датчика зависит от его модели и от типа воздействующего газа.
  • Когда после хранения (в выключенном состоянии) газовый датчик включают в условиях атмосферы воздуха, для него характерен переходной режим. В первые секунды после включения RS (где RS - сопротивление датчика при определении им концентрации газа в окружающей среде) резко понижается в связи с нагревом датчика независимо от присутствующих газов, а затем достигает устойчивого уровня, соответствующего окружающей атмосфере. Продолжительность переходного процесса зависит от типа датчика, от атмосферных условий во время хранения и от длительности хранения. Эту особенность датчика необходимо учитывать при проектировании схемы, так как она может привести к ложному срабатыванию сигнализации в момент включения электропитания.
  • Так как принцип детектирования TGS-датчика основан на хемосорбции и десорбции газов на поверхности чувствительной пленки, температура и влажность окружающей среды, определяющие скорость химических реакций, влияют на характеристики чувствительности датчика. При использовании TGS-датчиков должна быть предусмотрена схема компенсации зависимости их чувствительности от температуры.
  • TGS-датчики обладают достаточно высокой долговременной стабильностью, поэтому они пригодны для работы в устройствах, не требующих постоянного обслуживания.

3.2. Меры предосторожности при использовании газовых датчиков

Недопустимые ситуации: воздействие паров кремнийорганических соединений, воздействие высококоррозионных сред, загрязнение щелочными металлами, контакт с водой, переохлаждение, подача повышенного напряжения, подача несоответствующего напряжения

Нежелательные ситуации: конденсация влаги, использование датчика в газовой среде, имеющей высокую плотность, хранение TGS-датчика в течение длительного времени, длительное воздействие неблагоприятной среды, вибрация, удар, воздействие паяльного флюса.

3.3. Выходной сигнал датчика

В настоящее время для обработки выходного сигнала TGS-датчика нередко применяют микропроцессоры, как правило, недорогие, которые могут служить в качестве компаратора и выполнять некоторые другие полезные функции. Например, функцию компенсации температурной зависимости, автокалибровки и т.д.

3.4. Схемы обнаружения повреждения датчика

Повреждение нагревателя датчика может быть обнаружено с помощью резистора, последовательно соединенного с нагревателем. О появлении повреждения будет свидетельствовать отсутствие напряжения, падающего на этом резисторе.

3.5. Корпус детектирующего устройства

  • Датчик внутри корпуса детектирующего устройства должен быть отделен перегородками, имеющими достаточное число широких разрезов для быстрого распространения газа.
  • Конструировать корпус следует так, чтобы он рассеивал максимальное количество тепла.

И в заключении, рассмотрим таблицу характеристик тонкопленочных сенсоров для различных газов [3].

Таблица 1. Характеристики сенсоров и анализируемые газы

Анализируемое вещество

Чувствительное вещество сенсора

Оксид углерода CO

Напыленные в кислороде слои SnO2; рабочая температура 250 - 500 оС.

Сероводород H2S

Слой SnO2 с добавкой алюминия

Пропан C3H8

SnO2 + 1% PdCl2 + Mg(NO3)2 c добавками Nb(U, Ti, Mo)

Водород H2

Напыленный слой SnO2 с добавкой 1% SbO3

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Павленко В. А. Газоанализаторы.
  2. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ химического состава газов.
  3. Виглеб Г. Датчики. Пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 196 с.

Библиографическая ссылка

Белянкин С.Е. СЕНСОРЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ. (ОБЗОР) // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 2. – С. 49-51;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=4722 (дата обращения: 10.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074