Исследование динамических режимов работы газовых сенсоров с целью повышения их избирательности

• Автор: Титов, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 174 с. : ил.

1. ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ СЕНСОРОВ ЭпО^

1.1. Газовые сенсоры на основе впОг

1.1.1. Электрофизические свойства впОг

1.1.2. Поверхностные свойства пленок БпО^.х, гетерогенные реакции и природа газовой чувствительности

1.1.3. Осцилляция гетерогенных реакций на поверхности полупроводниковой пленки

1.1.4. Шум тонких поликристаллических пленок на основе 8пОг-х

1.2. Методы газового анализа

Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕНСОРОВ

2.1. Конструкция, технология и статические характеристики тонкопленочных сенсоров на основе диоксида олова

2.1.1. Технология изготовления и конструкция сенсоров

2.1.2. Температурная зависимость сенсоров и стабилизация во времени
2.1.3. Газочувствительные свойства сенсоров и переходные процессы при введении газовых добавок
2.2. Исследование динамических характеристик газовых сенсоров
2.2.1. Установка и методика исследования газовой
чувствительности
2.2.2. Исследование динамических реакции сенсоров при импульсном периодическом нагреве для идентификации газов и паров различных
веществ
2.2.3. Исследование возможности использование динамических характеристик сенсоров для определения концентрации исследуемых
веществ

2.3 Обсуждение результатов
Выводы
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ И ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСЦИЛЛЯЦИИ В ГАЗОВЫХ СЕНСОРАХ ПРИ ВВЕДЕНИИ ГАЗОВЫХ ДОБАВОК
3.1. Установка для измерения и отработка методики исследования шумов в полупроводниковых газовых сенсорах
3.2. Шум сенсоров с аддитивами БЬ, 1п, Си при введении газовых добавок СО, метан и в случае паров спирта
3.3. Возникновение периодических колебаний сопротивления сенсоров при введении СО, метана и паров этилового спирта
3.3.1 Осцилляция сопротивления для сенсоров с аддитивом 1п
3.3.2 Осцилляция сопротивления для сенсоров с аддитивом БЬ
3.3.3. Осцилляция сопротивления для сенсоров с аддитивом Си
3.3.4 Особенности зависимости амплитуды осцилляции от концентрации СО для сенсоров с аддитивами вЬ, 1п, Си
3.4 Обсуждение результатов
Выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Актуальность темы. Развитие технологий и требования научно-технического прогресса на современном этапе делают весьма важной задачу контроля окружающей среды и эффективности управления технологическими процессами на новом более высоком уровне. Это предусматривает не только фиксацию предельно допустимых концентраций вредных или взрывчатых веществ в воздухе или процентное содержание СО в теплоэнергетических установках, но и анализ состава атмосферы с весьма желательным определением концентрации имеющихся в ней реагентов. Речь идет о создании искусственного -«электронного» носа позволяющего решать проблемы, как научнопромышленного, так и «бытового» назначения.
«Электронный» нос должен иметь выходной электрический сигнал, позволяющий отвечать на выше поставленные вопросы и при этом должен иметь достаточно небольшие габариты, относительно невысокую стоимость, надежность и простоту в эксплуатации. В основе его, очевидно, должны лежать газовые сенсоры, которые в настоящее время используют оптическое поглощение исследуемых реагентов иди их воздействие на сопротивление, термоэдс, плотность материала сенсоров, температуру в результате гетерогенных реакций на его поверхности. Естественно, возможно одновременное использование всего комплекса указанных сенсоров, но это резко усложняет конструкцию и эксплуатацию такого устройства. Наиболее перспективным, можно считать, разработку устройства на одном типе сенсоров, если он позволяет решать в достаточной мере поставленную задачу.
К таким сенсорам относятся металлооксидные сенсоры, обратимо меняющие свое сопротивление в результате окислительных реакция с кислородом воздуха и восстанавливающими реагентами, к которым относятся многие газы (СО, СН4, ИНз), а также пары большого числа органических веществ (спирты, ацетон, бензол и т.д.). История развития указанных сенсоров связана с именем Сейамы и насчитывает уже более тридцати лет. Первые запатентованные Тагучи - сенсоры выпускаются миллионами штук и используются эффективно для контроля

метода, особенно в случае необходимости быстрого определения концентрации горючих или отравляющих веществ. Однако, последний недостаток может быть несколько сглажен использованием технологии мембранных сенсоров обладающих малой инерционностью нагрева и охлаждения а, следовательно, и малым временем измерения.
В итоге, для обоих методов следует, скорее всего, говорить о взаимодополнении друг друга - достижении компромисса между количеством сенсоров используемых в составе матрице и одновременном использовании всех сенсоров или их части в режиме динамического нагрева.
В разделе 1.1.4, при анализе природы шумов поликристаллических пленок, нами было сделано заключения, что поверхностные состояния газочувствительных поверхностей играют важную роль, как в механизмах газовой чувствительности, так и в генерации Ш и генерационно-рекомбинационного шумов. Эти шумы определяют обнаружительный порог сенсора. Уменьшение числа поверхностных состояний должно привести к уменьшению шума но, одновременно, и к уменьшешпо чувствительности прибора. Такая тесная связь шума с процессами на поверхности пленки дало основание попытаться использовать шумовые характеристики сенсоров для идентификации газов.
Экспериментально возможность использования спектров шума была проверена в работах [31, 64] для коммерческих толстопленочных сенсоров фирмы Иешо1о & Со. 1Дс1. В работе, для наглядности отличия характера шумов для различных газовых добавок, вместо обычной СПМ шума, авторы используют произведение СПМ и частоты (8и(ш)*1). Для такой функции отчетливо видно, что изменение состава газовой атмосферы сенсора будь то аромат продуктов питания [64] или этанол, ацетон и грибки пенициллина [31] приводит к изменению уровня шума и к проявлению дополнительных компонент шума, характеризующих детектируемые смеси или газы. Другой интересной особенностью шумов сенсоров является найденный эффект памяти. Эффект заключается в способности шума сенсора после предварительного прогрева датчика в атмосфере газа сохранять свои характеристики, в охлажденном состояние, практически без изменения в течение долгого промежутка времени после удаления газа. Эффект наблюдался для