Полупроводниковые сенсоры озона и их применение для детектирования озона в различных условиях

• Автор: Жерников, Константин Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

1.1 Полупроводниковые сенсоры

1.2 Механизм формирования сенсорного отклика.

1.3 Детектирование озона в воздухе.

Адсорбция кислорода.

Адсорбция озона.

1.4 Полупроводниковые сенсоры в научных исследованиях

1.5 Полупроводниковые сенсоры для мониторинга состава атмосферы

1.6 Изучение гетерогенных процессов с участием озона.

1.7 Измерение стоков озона на подстилающую поверхность.

1.8 Требования к полупроводниковым сенсорам для детектирования озона

1.9 Обработка данных измерений.

1. Влияние внешних факторов на работу сенсора
1. Вывод из обзора литературы
ГЛАВА 2. Методика эксперимента
2.1 Конструкция сенсора
2.2 Методы приготовления чувствительных слоев
2.3 Газоанализатор на основе поулпроводниковьтх сенсоров.
2.4 Лабораторные экспериментальные установки.
Исследование свойств полупроводниковых сенсоров в лабораторных условиях
Исследование гибели озона на различных материалах.
2.5 Твотирование сенсорного анализатора в полевых условиях.
Тестирование сенсорного анализатора озона в полевых условиях на Цимлянской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН.
Измерение концентрации озона па станции наблюдения состава атмосферы метеообсерватории МГУ.
Тестирование сенсорного анализатора озона на передвижном вагонеобсерватории в международной экспедиции I.
ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждение
3.1 Исследование свойств металле оксидных полупроводниковых сепсоров
3.1.1 Исследование структуры чувствительных слоев, приготовленных в различных режимах
3.1.2 Зависимость электропроводности чувствительного слоя от температуры
3.1.3 Форма и величина сигнала сенсора в присутствии озона.
3.1.4 Зависимость сигнала сенсора от концентрации озона
3.1.5 О механизмах проводимости сенсоров, приготовленных в различных режимах
3.1.6 Долговременные характеристики сепсоров.
3.1.7 Изучение внешних факторов, влияющих на работ сенсора.
Постановка задачи
Поле скоростей при различных конфигурациях камеры сенсора. .
Распределение температуры по поверхности чувствительного слоя при заданной температуре нагревателя.
Влияние расхода и температуры воздуха на распределение температуры по
поверхности чувствительного слоя
Модель нагревателя в виде нескольких сопротивлений
Распределение температуры по поверхности чувствительного слоя при заданной теплоотдаче нагревателя.
Использование неоднородного нагревателя.
Размытие сигналов в трубках.
3.1.8 Восстановление сигнала. Быстродействие снсоров.
3.1.9 Кинетика отклика сенсора от озона в присутствии кислорода
А7сорбция кислорода
Адсорбция озона.
Десорбция атомов кислорода
Кинетика адсорбции озона в начальный момент времени.
Кинетика десорбции озона в начальный момент времени.
Кинетика изменения сопротивления чувствительного слоя сенсора в начальный момент времени.
Быстродействие полупроводниковых сенсоров.
3.2 Тестирование сенсорного анализатора озона в полевых условиях.
3.2.1 Испытания сенсорного анализатора озона на метеообсерватории МГУ
3.2.2 Испытание сенсорного анализатора озона в экспедиции на Цимлянской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН.
3.2.3 Испытание сенсорного анализатора озона в условиях международной экспедиции на вагоне обсерватории ТКСА
Измерение концентрации озона сенсорным анализатором
Корреляция данных сенсорного анализатора озона с другими газовыми примесями и метеорологическими параметрами.
Исследование гетерогенной гибели озона на различных материалах.
3.3.1 Исследование взаимодействия озона при низких концентрациях с микроволокнистыми полимерными фильтрами.
3.3.2 Исследование взаимодействия озона при низких концентрациях с оксидами металлов
Основные результаты и выводы работы
Список литературы


Чувствительные слои, сформированные в равновесном температурном режиме, характеризуются более однородным распределением размеров, зерен, широкими перешейками между ними и менее выраженной зависимостью сигнала сенсора от концентрации озона, чем сформированные в неравновесном режиме. Рассмотрена модель формирования отклика по электропроводности полупроводникового сенсора с проводимостью птипа при адсорбции озона в. Получены аналитические выражения кинетики изменения электропроводности полупроводниковой пленки для начальной стадии адсорбции и десорбции. Изучена возможность восстановления меняющейся концентрации озона из данных полупроводникового сенсора. Рассмотрена модель экспоненциального изменения сигнала сенсора при ступенчатом изменении концентрации озона при стационарных и. Определены. Получено распределение температуры но поверхности нагревательного элемента, и чувствительного слоя сенсора для различных конструкций сенсора и сенсорнойкамеры, а также, условий обдува сенсора. Определены характеристики гетерогенной гибели озона на полимерных микроволокнистых материалах и порошках оксидов металлов при низких 5 концентрациях озона. По. Полимерные микроволокнистые фильтры полистирол полисульфон ацетилцеллюлоза перхлорвинил акрилонитрил фторопласт . Порошкообразные оксиды металлов оксид железа оксид цинка оксид индия. Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации процессов получения. Разработанный анализатор озона, с полупроводниковым сенсором в качестве чувствительного элемента, прошел успешные испытания в лабораторных условиях и в полевых условиях на мстеообсерватории МГУ им М. В. Ломоносова, а также в ходе экспедиций на Цимлянской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН и в экспедиции ТЯСА на железнодорожном вагонеобсерватории. Прибор может быть рекомендован для атмосферного мониторинга, для применения в научных исследованиях и в различных областях газового анализа. ГЛАВА 1. Полупроводниковые сенсоры. Исследования влияния адсорбции газов на электрофизические характеристики полупроводников, начатые в х годах прошлого столетия в связи с развитием полупроводниковой техники, поставили и обратную задачу детектировать газовые примеси по изменению электрофизических характеристик полупроводника. Однако, в отличие от быстрого внедрения полупроводниковых приборов во все области науки и техники, путь полупроводниковых сенсоров от лабораторных разработок до датчика серийных газоанализаторов оказался несопоставимо длинным. В настоящее время полупроводниковые сенсоры широко используются в различных областях газового анализа. Принцип действия полупроводниковых сенсоров основан на изменении проводимости чувствительного слоя при адсорбции на их поверхности различных газовых примесей. Изменение проводимости сопротивления чувствительного слоя определяется концентрацией примеси. Таким образом, концентрация примеси преобразуется непосредственно в электрический сигнал. Изучению газочувствительных свойств полупроводниковых сенсоров по отношению к различным газам посвящено большое количество работ. Среди них важное место занимают работы по изучению влияния озона на электрофизические характеристики сенсоров 1, 3. Интерес к сенсорам озона связан с множеством атмосферных задач, где озон играет важную роль проблемы озонового слоя, гетерогенной гибели озона на аэрозолях, стоки озона на подстилающую поверхность и др Озон также используется в промышленности и медицине, поэтому, в силу большой окислительной способности озопа, возникает задача защиты органов дыхания человека, а также задача воздействия озона на конструкционные материалы. Немаловажным является и то, что озон вызывает большой по величине и полностью обратимый сигнал полупроводниковых сенсоров, который можно надежно измерить с высокой точностью, а также налаженное промышленное производство генераторов озона хорошего качества, что позволяет достаточно быстро организовать эксперимент. Использование сенсоров с различной чувствительностью позволяет использовать их в широком диапазоне концентраций газовых примесей, начиная с уровней ниже предельнодопустимых значений п. К другим достоинствам полупроводниковых сенсоров относятся их миниатюрность, высокое быстродействие и невысокая стоимость.