Механизм чувствительности МДП-сенсоров и возможности их использования в качестве чувствительных элементов газоанализаторов

• Автор: Емелин, Евгений Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 103 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор литературы
§1.1. Различные типы сенсоров концентраций газов
§1.2. Исследования свойств МДП-сенсоров
§1.3. Постановка задачи
Глава 2. Методика и экспериментальная техника исследований
характеристик МДП-сенсоров
§2.1. Схема устройства и принцип действия МДП-структуры
§2.2. Схема устройства, принцип действия и электронная блок-схема
преобразования сигнала МДП-сенсора
§2.3. Схема установки для измерений вольт-фарадных характеристик
МДП-сенсоров
§2.4. Схема установки лазерного напыления пленок
§2.5. Схема установки для определения характеристик МДП-сенсоров
Глава 3. Чувствительность МДП-сенсоров к различным газам
§3.1. Влияние материала металлического электрода на чувствительность
МДП-сенсора
§3.2. Чувствительности МДП-сенсоров со структурой Рс1-Та205-8і02-8і
к различным газам в воздухе
Выводы
Глава 4. Модель механизма чувствительности МДП-сенсоров
к газам
§4.1. Формулировка новой модели механизма чувствительности
МДП-сенсоров
§4.2. Дополнительное экспериментальное подтверждение модели
чувствительности МДП-сенсоров
§4.2.1. Чувствительность МДП-сенсоров к аммиаку

§4.2.2. Исследование роли каталитических свойств металлического
электрода МДП-сенсора и области локализации ловушек
§4.2.3. Температурная зависимость чувствительностей МДП-сенсоров
к водороду, диоксиду азота и аммиаку
Выводы
Глава 5. Возможности использования МДП-сенсоров в качестве
чувствительных элементов газоанализаторов
§5.1. Работоспособность МДП-сенсоров в различных газовых средах
МДП-сенсоров
§5.3. Метод повышения быстродействия МДП-сенсоров
§5.4. Оценка степени соответствия характеристик МДП-сенсоров требованиям, предъявляемым к чувствительным
элементам газоанализаторов
Выводы
Основные результаты и выводы
Список литературы
Приложение. Газоанализатор диоксида азота с импульсным нагревом чувствительного элемента

Введение
Приборы для измерений химического состава газообразных сред (газоанализаторы) широко применяются для решения научных и технических задач. Непрерывно возрастает потребность в газоанализаторах, чувствительных к широкому кругу веществ и работающих в различных внешних условиях в широком диапазоне концентраций газов. Основной частью прибора-газоанализатора является чувствительный элемент (сенсор). От типа сенсора, его характеристик зависят возможности газоанализатора в решении той или иной научно-технической задачи. Поэтому не прекращаются разработки различных типов сенсоров путем привлечения новых технологий и материалов.
Сенсоры классифицируют согласно физико-химическим принципам их взаимодействия с измеряемым газом. В соответствии с этим различают следующие основные типы сенсоров: электрохимические,
термокаталитические, резистивные, на поверхностных акустических волнах, оптические, чувствительные к изменению массы, с барьером Шотки, на основе МДП-структур и др. Каждый тип сенсоров имеет свои преимущества и недостатки.
Среди перечисленных выше сенсоры на основе МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) - структур выделяются очень высокой чувствительностью. Это связано с тем, что в состав МДП-сенсора входит полупроводник, т.е. материал, свойства которого чрезвычайно чувствительны к изменениям окружающей среды, в частности, к химическому составу газов. МДП-сенсоры, кроме высокой чувствительности, обладают рядом других достоинств: быстротой реакции, малыми габаритами, малой стоимостью. Однако в процессе их исследований обнаружились также и существенные недостатки, из-за которых МДП-сенсоры пока не нашли практического применения.

§ 3.1. Влияние материала металлического электрода на
чувствительность МДП-сенсора.
Как упоминалось выше, с точки зрения модели чувствительности [17] металлический электрод МДП-структуры должен обладать каталитическими свойствами. Ранее отмечалось, что в некоторых случаях замена палладия другим катализатором может увеличить чувствительность сенсора. Так, например, наблюдалось увеличение чувствительности к МД [22] МДП-сенсоров с платиновым электродом, в то же время, чувствительность таких сенсоров к водороду была существенно ниже.
В противоположность этому, в модели [39] роль катализатора не определена. Если наличие каталитических свойств не является существенным, то нет необходимости использовать в конструкции МДП-сенсора палладий, а проще применить любой другой, более распространенный и дешевый металл. Данный параграф посвящен изучению этого вопроса.
Исследовались МДП-сенсоры со структурами типа М-Та205-8Ю2-8ц где М=Рс1, Р1, N1. Схема экспериментальной установки для снятия характеристик сенсоров показана на рис.2.10. Водород поступал на МДП-сенсор (9) от баллона с ПГС (2), сероводород и диоксид азота - от контейнера (7) с источниками микроконцентраций этих газов, изготовленных и аттестованных ФГУП “ВНИИМ им. Д. И. Менделеева”. Рабочая температура сенсора составляла 100°С.
Результаты измерений сведены в таблицу 3.1. Как видно из таблицы, наибольшей чувствительностью обладают Рб-сенсоры. Соотношение чувствительностей такого типа сенсоров к Н28, N02 и Н2 составляет примерно 100:10:1, соответственно. Чувствительности двух других типов сенсоров намного ниже. Таким образом, замена палладия каталитическим металлом из той же группы таблицы Менделеева значительно ухудшает чувствительность сенсора.