Стабилизация характеристик и модель механизма чувствительности МДП-сенсоров к газам

• Автор: Литвинов, Артур Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 91 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ МДП-СЕНСОРОВ
§2.1 МДП-структура и ее свойства
§2.2 Устройство и принцип действия МДП-сенсора
§2.3 Установка для лазерного напыления пленок
§2.4 Установка для измерений вольт-фарадных характеристик сенсоров.

§2.5 Установка для измерений характеристик сенсоров
§2.6 Блок-схема газоанализатора
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЕНИЙ НЕПОСТОЯНСТВА ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СЕНСОРОВ
§3.1 Непостоянство характеристик МДП-сенсоров в результате их выдержки в некоторых газах
§3.2 Влияние термообработки на характеристики МДП-сенсоров
§3.3 Влияние рабочей температуры сенсора на форму динамической характеристики
§3.4 Исследование явления “интерференции” чувствительностей МДП-сенсоров
§3.5 Выводы
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ МЕХАНИЗМА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МДП-СЕНСОРОВ
§4.1 Обзор представлений о механизме чувствительности МДП-сенсоров.

§4.2 Формулировка модели механизма чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов (качественно)
§4.3 Количественная формулировка модели
§4.4. Сопоставление экспериментальных фактов с моделью
§4.5 Методы стабилизации характеристик МДП-сенсоров
§4.6.Выводы
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ МДП-СЕНСОРОВ
§5.1 Способ измерений концентраций этилмеркаптана и сероводорода в их смеси
§5.2 Двухканальный метод отбора газовых проб
§5.3 Повышение селективности МДП-сенсоров с помощью вариации технологии их изготовления
§5.4 Выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
П1. Водородные газоанализаторы ВГ
П2. Газоанализатор сероводорода СВГ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение
Приборы для измерения концентраций газов (газоанализаторы) широко применяются в современной науке и технике. Основными элементами газоанализаторов являются сенсоры (чувствительные элементы). В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические и резистивные сенсоры, отличающиеся простотой изготовления и относительно невысокой стоимостью. Однако эти типы сенсоров имеют ряд существенных недостатков, таких как, низкая селективность, невысокая чувствительность, малый срок службы. Это ограничивает их применение в ряде задач, например, для экологического контроля состояния атмосферного воздуха, в котором требуется измерять очень малые концентрации газов. Использование сенсоров на основе МДП-структур, которые выделяются высокой чувствительностью, простотой изготовления и длительным сроком службы, ограничено рядом присущих им недостатков, в частности, непостоянством характеристик в различных условиях эксплуатации, невысокой селективностью, невысоким быстродействием и др. В связи с этим, проблемы разработки новых типов сенсоров и улучшения характеристик уже существующих по-прежнему остаются актуальными.
Настоящая работа посвящена радикальному улучшению характеристик МДП-сенсоров за счет детального исследования физических механизмов их чувствительности к различным газам и разработки новых технологий их изготовления.
Цель данной работы состояла в том, чтобы выяснить причины непостоянства характеристик МДП-структур и найти способы преодоления этих причин. В связи с этим были поставлены следующие задачи.
1. Разработать модель механизма чувствительности МДП-сенсоров к различным газам.
2. Добиться постоянства характеристик МДП-сенсоров за счет понимания физических механизмов их чувствительности и использования технологии лазерного напыления тонких пленок металлов и диэлектриков.
наиболее чувствительны [24]) были изготовлены МДП-сенсоры со структурой Рб-Та205-8Ю2-81 с толщиной пленки Рб 30 нм.
Температура сенсоров варьировалась в диапазоне 100-Ч90°С и стабилизировалась с точностью ±0,3 °С.
С помощью установки, схема которой показана на рис. 2.12, измерялись динамические характеристики сенсоров при различных концентрациях М28, И02 и Н2 в воздухе. В случае Н2 использовались поверочные газовые смеси, в случае Н28 и ЫОо - источники микроконцентраций.
Реакции сенсора при 100 °С на ступенчатые импульсы концентраций Н2, Н28 и N0? показали: 1) для Н2 времена отклика т0.9 и релаксации то.і отличаются незначительно, после снятия Н2 наблюдается полная релаксация; 2) для Н28 и N02 то.і >>'й).9> полная релаксация не происходит даже при длительной выдержке в воздухе, при очередном импульсе той же концентрации отклик сенсора меньше, чем при предыдущем, а релаксация остается неполной. Таким образом, чувствительность сенсора падает по мере его выдержки в Н2Б и N02, причем сенсор релаксирует не до конца.
На рис.3.3 показана реакция сенсора на несколько последовательных
Рис.3.3. Отклик и релаксация сенсора для нескольких последовательных импульсов H2S с концентрацией 0.1 ppm.