Принцип действия адсорбционно-полупроводниковых газовых датчиков, их основные характеристики, достоинства и недостатки

Мавзу 9. ЯРИМЎТКАЗГИЧЛИ СЕНСОРЛАР


Ярим ўтказгичли газ сенсорларининг ишлаш принципи уларнинг асосий характеристикаси қулайлик ва камчиликларини куриб чиқамиз. Ярим ўтказгичли оксид юзасига актив газларнинг қайтар адсорбцияси уларнинг қаршилигини қайтар ўзгариши сабаб бўлади. Бундай ўзгаришга сабаб авваломбор адсорбцияланган зонадаги адсорбент ва адсорбат орасида бўладиган электронларни алмашинувидир.
Газларни аниқлашдаги бирламчи ва энг муҳим босқич бу ярим ўзказувчан пленка юзасига кислороднинг адсорбцияланиши. Бунда электронлар юзадан унга адсорбцияланган кислородга утади ва натижада юзадаги энергидик зона букулиш (ўзгариш) кузатилади. Бундай букилиш Дебайнинг экранлаш зонаси чуқурлигида кузатилади

бунда є-ярим ўтказгични диэлектрик ўтказувчанлиги; Us -потенциаль тўсиқнинг баландлиги; q-электроннинг зоряди; N-ионланган донорлар концентрацияси.
доначалар юзасига адсорбцияланган кислород, заррачалар орасидаги «бўғинларни» (перешейкаларни) қисқартириш ёки бутунлай ёпиш ҳисобига, зарядсизланган зонани юзага келтиради ва электронларни доначалар орасидаги ҳаракатланишини (ўтишини) камайтиради ёки бутунлай тўхтатади (расм.1.)




Расм 1. Юпқа қават юзасида адсорбцияланган кислород таъсирида доначалар орасидаги бўғинни (электронни ҳаракат йўлини) ёпилиши.
Сенсорни қайтарувчи газнинг сезиши уни юзадаги адсорбцияланган кислород билан таъсирлашувига асосланган. Аниқланувчи газнинг юзага адсорбцияланиши натижасида юзани электр ўтказувчанлиги ўзгаради. Чунки қайтарувчи газни юзадаги кислород билан таъсирлашуви натижасида ярим ўтказувчан металл оксидидан (юпқа плёнкадан) кислородга ўтган электронлар яъна юзага қайтади ва реакция маҳсулоти нейтраль модда кўринишида газ фазага чиқиб кетади. Шундай қилиб текшириладиган объектда аниқланувчи газни бўлган ва бўлмаган ҳолатларидаги ўтказувчан юпқа қаватнинг қаршилигини (электр ўтказувчанлигини) фарқи аниқланувчан газни концентрацияси тўғрисида информация беради.
Сезгир қават юзасидаги кимёвий жараённи (электронни олиш ва бериш жараёнларини) тезлаштириш яни бир неча секундда ўтишини таъминлаш учун сенсор 200дан 500⁰С гача қиздирилади. Газсезгир адсорбцион датчиқлар яратишни хозирги замон тенденсияси паст температуралардаги тадқиқотларни бажаришга йўналтирилган бўлиб, хона температурасида ишлайдиган сенсорлар яратиш сохасида изланишлар ўтказилмоқда бўнга сенсорнинг актив юзасига турли модификацияловчи қўшимчаларни киритиш билан эришиш мумкин.
Одатда газсезгир юпқа қаватлар ҳосил қилиш учун SnO2, ZnO, In₂O₃ сингари металл оксидларидан фойдаланилади. Қиздирувчи сифатида ярим ўтказгичдан изоляция қилиб ажратилган инерт материаллардан(Pt, RuO₂, Au ва б.) тайёрланган қаватдан фойдаланилади.
Адсорбцион ярим ўтказгичли сенсорларнинг асосий характеристикаларига қуйидагилар киради:

-сенсорнинг қаршилиги ёки электр ўтказувчанлиги билан ифодаланадиган аниқланувчан газга нисбатан сезгирлиги ва селективлиги;

- сезгирликни температурага боғлиқлиги;
-сигнал максималь қийматигача эришиш вақти;
-Сенсорни кўрсатгичини нольгача қайтиш вақти.
Бундай сенсорларнинг камчилигига қуйидагиларни киритиш мумкин:
- Селектив эмаслиги. Селективликни оширишга Pt, Pd ва б. Каталитик қушимчаларни киритиш, каталитик қават ҳосил қилиш, автив юзани турли температураларгача қиздириш (хар бир газ узига мос маълум бир температурада максимал сигнал қийматига эга бўлади), Мультисенсор системалардан фойдаланиш исталган газ ёки газ аралашмаларига мос сигнални олишга имкон беради.
- Бу қиздирувчига бериладиган ток кучланишини бошқарувчи схемалардан фойдаланиш ҳисобига ҳал этилади.
- Сигнални нольга қайтиш вақтини катталиги. Буни камайтиришга температурани ошириш ёки сенсор материали таркибига катализатор киритиш билан эришиш мумкин.
Мультисенсор системаларнинг умумий камчилигига уларни ишлатишдан олдин албатта настройка қилиниши ва системадаги битта сенсор ишдан чиқиши билан барча сенсорларни ишламасдан қолишини кўрсатиш мумкин. Адсорбционярим ўтказгичли сенсорларни қулайликлари қуйидагилар:
-юқори сезгирлиги (водород учун 0,000001%);
- -тезкорлиги;
- -арзонлиги;
-энергия тежамкорлиги.


ярим утказгичли сенсорларда бирламчи материал сифатида SnO₂, ZnO, Fe₂O₃ сингари металл оксидларидан фойдаланилади. Келтирилган матириаллардан турли газларни аниқловчи сенсорлар таркибида SnO₂ энг кўп ишлатилади. SnO₂ ни бошқа газлар билан хосил қилган аралашмалари турли газларга нисбатан юқори сезгирлик ва селективликга эга, мас: SnO₂-СозO₄ СО ва Н₂ нисбатан сезгир, Pt билан легирланган SnO₂ – этанолга нисбатан сезгир.


золь-гель методнинг муҳим кулайлиги ҳосил қилинадиган юпқа қаватнинг параметрларини компонентлар таркиби ва технологик режимни ўзгартириш хисобига осон узгартириш имкониятидир.
Золь –гель қуйидаги босқичларни уз ичига олади:
- зольни яъни олиш актив мухитда жуда кичик бир неча нм ўлчамли заррачаларни ҳосиль қилиш
- олинган зольни инерт таглик юзасига қоплаш
Эритувчини чиқариб юбориш
Натижада инерт таглик юзасида муҳим хоссаларга эга бўлган юпқа қават қолади.
Кимёвий гелни олиш. Бунда бошланғич моддалар метеллар ёки металмасларнинг алкоксидлари ва ноорганик тузларидан иборат бўлади. Улардан спиртдаги гомоген эритма тайёрланади. Эритмада гидролиз ва гидролиз маҳсулотларининг поликондинсация жараёнларини ўз ичига олувчи икки босқичдан иборат жараёни боради ва унинг натижасида тармоқланган уч ўлчамли тўрсимон полимир ҳосил бўлади. Вақт ўтиши билан эритма қуюқлашиб боради ва охирида унинг ҳаракатчанлиги бутунлай юқолади, яъни гель холатига ўтади. Гелга термаишлов бериш натижасида ксерогель ҳосил қилинади. Ишлатиладиган алкоксиднинг таркиби қуйидаги умумий формула билан ифодаланади:
M(OR)_z
бундаги М- Si, Sn ва б.; R - алкиль группа, масалан: СН₃, С₂Н₅ ва б.; Z- элемент М нинг оксидланиш даражаси. Алкоксидлар спиртлар ва бошқа органик эритувчиларда эрувчан. Бундай маҳсулотларнинг гидролизи M(OH)_z кўринишидаги оралиқ фаза ҳосил бўлиш орқали амалга ошади. Кейинги поликонденсация жараёнида М-О-М боғлари ҳосил бўлади ва ноорганик турсимон полимер гел ҳосил бўлиб бошлайди. поликонденсация натижасида ўлчамлари 3-4 нм бўлган майда заррачалар шаклланади. Маҳсулотнинг таркиби ва тузилиши атом М нинг табиати ва жараённинг ўтказиш шароитига боғлиқ.
Плёнка ҳосил бўлиш жараёнинг бошланғич босқичларидан бошлаб катализаторни тегишли кимёвий бирикма ҳолида эритмага қўшишга имкон беради. Pt эритмага Н₂PtC1₆- 6Н₂О ҳолида қушилди. Шу усулда яратилган сенсор паст температураларда ҳам (140-170° С да одатда ис газини сенсорлари 250- 400 °С да ишлайди)ис газига юқори сезгирликга эга бўлади.


ТiO₂ ёки SnО₂ сингари буш (d°) ёки тулиқ (d¹⁰) қаватли оксидлар энергетик оралиқда (энергетическом зазоре) юзадаги d-электронларга эга эмас Шунинг учун заряднинг утиши утиш зонасида эркин электронларни узгаришини қамраб олмоғи керак. Pt). Бўндай юзалар учун зазордаги электроннинг холати узининг дефекти ёки ташқи юза таъсирида (мас. юзадаги Pt таъсирида) хосил бўлади. Тулмаган d-қаватли оксидлардаги электрон холатининг характеристикаси лиганд майдони назариясидан келиб чиқади.