Полупроводниковые датчики

В самых простых и дешёвых газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. На рисунке 11.7 показано принципиальное устройство такого полупроводникового датчика.

Измерительная ячейка полупроводникового датчика для обнаружения вредных (токсичных) газов

Рис. 7 7.7. Измерительная ячейка полупроводникового датчика для обнаружения вредных (токсичных) газов

Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 100...500 °С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения.

В таблице 11.3 приведены сведения о материалах чувствительных элементов некоторых датчиков для обнаружения различных газов. Важнейшим среди них является диоксид олова Sn02 с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно достигнуть определённого повышения избирательности.

Таблица 11.3

Материалы для чувствительных элементов газовых датчиков

Анализируемое

вещество

Чувствительный элемент датчика

Оксид углерода, СО

Напылённые в кислороде слои Sn02; рабочая температура — 250...500 °С

Этанол, С2Н5ОН

Нанесённые пиролитически слои Sn02 на кварцевых подложках; спечённая деталь из ZnO с добавкой серебра

Сероводород, H2S

Слой Sn02 с добавкой алюминия

Изобутан, С4Н10

Слой легированного ZnO на подложке из А1203; слой катализатора из соединения платины

Пропан, С3Н8

Sn02 + 1 % PdCl2 + Mg(N03)2 с добавками Nb (V, Ti, Mo)

Водород, Н2

Напылённый слой Sn02 с добавкой 1 % Sb203

На рисунке 11.8 показана зависимость чувствительности (ДI / 7) для концентраций 10~2 % СО и 1 % СН4 от вида легирующей добавки и рабочей температуры.

Оптимизация характеристик газового датчика на основе диоксида олова с помощью различных регулирующих добавок (медь и платина)

Рис. 11.8. Оптимизация характеристик газового датчика на основе диоксида олова с помощью различных регулирующих добавок (медь и платина)

При легировании медью оптимальная чувствительность, например для СО, получается при 370 °С. В случае метана оптимальная чувствительность достигается при легировании платиной и работе при температуре 500 °С. На основании этого получаются два датчика, которые в определённых случаях применения обеспечивают селективную индикацию.

Газовый датчик с высокой селективностью получается для сероводорода (H2S). Характеристика датчика на основе нелегированного Sn02 приведена на рисунке 11.9 а.

Характеристика срабатывания газового датчика на основе диоксида олова Sn0 при 200 °С

Рис. 11.9. Характеристика срабатывания газового датчика на основе диоксида олова Sn02 при 200 °С:

а — влияние концентрации H2S; б — время срабатывания датчика

При концентрации (0...20) • 1СН % H2S в воздухе она имеет круто нарастающий ход, который затем замедляется. Рабочая температура датчика этого типа равна 260 °С, поскольку H2S легко разлагается на поверхности диоксида олова. Используя очень тонкие активные слои Sn02 толщиной около 150 нм, получают малые длительности срабатывания, находящиеся в секундном диапазоне (рис. 11.9 б).

На рисунке 11.10. показан датчик типа TGS фирмы Figaro Inc.

Конструкция промышленного газового датчика типа TGS

Рис 11.10. Конструкция промышленного газового датчика типа TGS

Он состоит из керамической трубочки, нагреваемой изнутри тонкой проволокой. Снаружи на трубочку нанесён активный слой с электродами. Весь датчик защищён проволочной сеткой из нержавеющей стали от механических повреждений. Обозначение такого датчика на схемах и способ его подключения показаны на рисунке 11.11.

Расположение контактов (а) и схема включения (б) газового

Рис. 11.11. Расположение контактов (а) и схема включения (б) газового

датчика типа TGS

Датчик нагревается напряжением VH до температуры выше 200 °С. Напряжение питания Vc обусловливает падение напряжения Vrl на нагрузочном резисторе Rb причём величина Vrl зависит от изменяющегося тока датчика Is. Чувствительность датчика TGS 815D для различных газов показана на рисунке 11.12.

Изменение чувствительности S / S0 в зависимости от температуры и относительной влажности показано на рисунке 11.12 для датчиков одного типа.

Здесь S0 — сопротивление датчика в стандартной смеси воздуха с ОД % метана при относительной влажности 65 % и температуре 20 °С, a S относится к переменным условиям по температуре и влажности. По чувствительности к влиянию температуры и влажности датчик TGS 815D является оптимальным вариантом среди детекторов фирмы Figaro.

Долговременная стабильность этих датчиков при эксплуатации сохраняется почти постоянной в течение нескольких лет, так что дополнительная калибровка оказывается не обязательной.

Чувствительность датчика TGS к различным газам

Рис. 11.12. Чувствительность датчика TGS к различным газам

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >