Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов

Схема полупроводникового газового датчика приведена на рис. 4.5. Датчик содержит токовые электроды для измерения сопротивления газочувствительного слоя, нагреватель для достижения температуры максимальной адсорбции контролируемого газа и для нагрева датчика до температуры десорбции, а также термометр для контроля температуры. Лидером в области серийно выпускаемых полупроводниковых датчиков газов является Япония. Фирма Figaro выпускает широкий класс датчиков типа TGS (Тагучи газовый сенсор), состоящих из керамического трубчатого основания, выдерживающего нагрев до 500 ºС, двух электродов из Pt, между которыми наносится полупроводниковый оксид металла – газочувствительный слой. Внутри керамического основания размещен спиральный нагреватель, задающий рабочую температуру датчика. При взаимодействии газа с газочувствительным слоем поверхностное сопротивление последнего изменяется пропорционально концентрации контролируемого газа и измеряется с помощью мостовой схемы. Датчик размещается в пластмассовом или керамическом корпусе диаметром 20 мм с шестью выводами и защищен сеткой от механических повреждений. Все датчики TGS включаются по сходной электрической схеме: напряжение на нагревателе 5 В, на чувствительном элементе – 24 В, нагрузочное сопротивление – 4 кОм, рассеиваемая мощность – 1,5 – 3 Вт. Измерение электрического сигнала осуществляется по мостовой схеме. Масса прибора с блоком питания до 1 кг. На рис. 4.6 приведена характеристика чувствительности датчика TGS к различным газам.

 

.

Рис. 4.5. Схема полупроводникового датчика газов

 

По технологии изготовления чувствительных элементов твердотельных датчиков различают керамическую технологию, тонко- и толстопленочную технологию.

Перспективно использование в качестве датчиков газов диодов Шоттки, полевых транзисторов и других приборных структур. В конструкцию прибора включается газочувствительный элемент, слой или более сложная структура. МДП-структуры, металлический электрод которых выполнен из переходных металлов (Pd, Pt, Ni), меняют свой характеристики под воздействием газов. Преимуществом таких приборов является высокая чувствительность и возможность работы при низких температурах (до 120 ºС). Недостаток – высокая чувствительность к влажности.

 

Рис. 4.6. Чувствительность датчика TGS к различным газам

Контрольные вопросы

1. Принцип действия и особенности применения термокондуктометрических датчиков газов. Какие газы можно контролировать этим датчиком?

2. Принцип действия и области применения термохимических (каталитических) датчиков газов.

3. Принцип действия и особенности применения электрохимических датчиков газов.

4. На каких физических явлениях основана работа полупроводниковых датчиков газов?

5. Устройство термокондуктометрического датчика газов. Какие газы трудно контролировать таким датчиком?

6. Устройство термокаталитической ячейки, ее достоинства и недостатки. Зачем используют катализаторы?

7. Устройство электрохимической (топливной) ячейки. Какие газы можно контролировать топливной ячейкой?

8. Какие газы можно контролировать с помощью полупроводникового датчика?

ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Принцип действия

В основе работы датчиков магнитного поля используются два эффекта: эффект Холла и магниторезистивный эффект. Оба эффекта вызваны действием силы Лоренца F_Л на носитель заряда q, движущийся со скоростью V в магнитном поле с индукцией B:

 

= q ∙[ ∙ . (5.1)

 

Эффект Холла. В полупроводнике n-типа, помещенном в магнитное поле с индукцией В, при протекании тока I, направленного перпендикулярно магнитному полю, возникает поперечная разность потенциалов U_X за счет действия силы Лоренца на электроны (рис. 5.1,а). В полупроводнике p-типа при том же направлении тока сила Лоренца действует на дырки в ту же сторону, однако полярность получается противоположной (рис. 5.1,б).

 

 

Рис. 5.1. Возникновение эдс Холла в полупроводнике

n-типа (а) и p-типа (б)

Накопление зарядов на боковой грани прекращается, когда сила Лоренца уравновешивается силой холловского электрического поля напряженностью Е_Х:

 

q∙V∙B = q ∙E_X. (5.2)

 

Cчитая холловское поле однородным и обозначив расстояние между боковыми гранями через а, эдс Холла

 

U_X = V∙B∙a. (5.3)

 

Определим ток I через образец р-типа проводимости

 

I = qpμ_pES = qpVaδ, (5.4)

 

где р – концентрация дырок; μ_p – их подвижность; S – площадь поперечного сечения; δ – толщина образца.

Из последней формулы скорость дырок

 

V = . (5.5)

 

Подставив V в формулу для эдс Холла, получим

 

U_X = ∙ = R_X , (5.6)

 

где через R_X обозначен коэффициент Холла

 

R_X = (5.7)

 

для полупроводника р-типа. Учитывая механизм рассеяния носителей заряда, более точная формула для R_X:

 

R_X = , (5.8)

 

где А = 1 – 2 (А = 1,18 при рассеянии на фононах, А = 1,93 при рассеянии на ионизированных примесях, А = 1 для вырожденного полупроводника).

Для полупроводника n-типа эдс Холла имеет обратную полярность

R_X = – , (5.9)

 

где n – концентрация электронов.

В полупроводнике с двумя типами носителей электроны и дырки отклоняются в одну сторону, поэтому эдс Холла и R_X оказываются меньше

 

R_X = . (5.10)

 

Из анализа формулы для эдс Холла видно, что при условии I = const U_X пропорциональна магнитной индукции В. Отсюда следует возможность измерения В. В качестве материала для датчиков Холла выбирают полупроводники с высокой подвижностью носителей заряда и малой концентрацией примеси. Кроме эффекта Холла для измерения магнитной индукции используют эффект магнитосопротивления.

Магниторезистивный эффект заключается в изменении сопротивления образца под действием магнитного поля. Действие силы Лоренца F_Л искривляет траекторию носителей заряда, что приводит к уменьшению длины свободного пробега в направлении внешнего поля Е между токовыми контактами и к увеличению сопротивления в магнитном поле (рис. 5.2). Изменение длины свободного пробега в направлении электрического поля ∆l = l₀ – l´, где l₀ – длина свободного пробега носителей заряда в отсутствии магнитного поля, l´ – проекция пути, пройденного носителем между двумя последовательными столкновениями (длина свободного пробега) в магнитном поле, на направление внешнего поля Е.

При установлении динамического равновесия эдс Холла компенсирует действие силы Лоренца, при этом искривления траектории носителей, движущихся со скоростью V, не происходит, и сопротивление не должно измениться. Однако вследствие распределения носителей по скоростям, носители со скоростью, больше средней, смещаются к одной грани образца, т.к. на них действует большая сила Лоренца, а носители со скоростью, меньше средней, будут смещаться к другой грани. Это увеличивает сопротивление образца.

 

 

Рис. 5.2. Изменение длины свободного пробега носителя

заряда в магнитном поле вдоль вектора электрического поля Е

 

Ввиду того, что холловское поле снижает эффект магнитосопротивления, то максимальное магнитосопротивление будет в образце, неограниченном в направлении, перпендикулярном току, так как эдс Холла не образуется.

Изменение удельного сопротивления ρ в магнитном поле

 

∆ρ/ρ = с μ² В², (5.11)

 

где с – геометрический фактор; μ – подвижность носителей заряда.

На рис. 5.3 показана зависимость отношения сопротивления R_B в магнитном поле к сопротивлению R₀ в отсутствии поля от магнитной индукции В для одинаково легированных образцов InSb различной формы. Максимальное магнитосопротивление наблюдается в образце в виде круглой пластины.

 

Рис. 5.3. Зависимость относительного сопротивления

R_B/R₀ от магнитной индукции для антимонида

индия разной формы

 

Преобразователи Холла