Сенсоры на основе МДП-структур

МДП-структуры металлический затвор которых выполнен из каталитически активных переходных металлов (платина, никель, палладий) изменяют свои характеристики под действием содержащихся в атмосфере газов. МДП – металл, диэлектрик, полупроводник.

Существует несколько модификаций сенсоров на МДП-структурах. Для увеличения адсорбционной чувствительности применяют модифицированные МДП-структуры.

В палладиевом затворе создаются поры диаметром 1.5-2 мкм наличие которых облегчает доступ газообразных частиц к диэлектрику, а так же увеличивает сорбционную поверхность. Перфорированный затвор выполняет роль катализатора, который усиливает ионную диссоциацию ионных газовых частиц.

Для увеличения селективности на поверхность металла наносят слой специальных веществ.

В качестве диэлектрика у сенсоров на базе МДП-структур может использоваться воздушный зазор, попадая в воздушный зазор между полупроводником и затвором исследуемый газ изменяет диэлектрическую проницаемость воздуха в зазоре, а так же при сорбции на поверхности полупроводника формирует дипольный слой, что приводит к изменению напряжения транзистора.

В другом варианте газового датчика с зазором применяют перфорированный сетчатый металлический затвор.

На слой диэлектриков 1 наносят металлический подслой 2 толщиной требуемого воздушного зазора, на подслой наносится металлический затвор 3 (платина) на котором создаются поры после чего вытравливают участок подслоя над канало между стоком и истоком.

Для повышения чувствительности перфорированный затвор покрывают адсорбционным покрытием 4. В этом случае анализируемый газ проникает в полость под затвором и взаимодействуют с его внутренней поверхностью, так же как и с внешней, и боковой покрытых чувствительным слоем.

Проблемы селективности решают так же использованием электронных носов, представляющих собой матрицу полупроводниковых сенсоров имеющих различную чувствительность к различным газовым компонентам.

Тепловые сенсоры

Принцип действия ТС основан на регистрации изменения тепло-физических характеристик чувствительного элемента в результате внешнего воздействия. Среди ТС наибольшее распространение получили пироэлектрические и термокаталитические

Пироэлектрические сенсоры

Пироэлектричество – явление возникновения нового заряда у некоторых кристаллов при применении к ним внешнего теплового воздействия вдоль соответствующих кристаллических направлений.

Тепловое воздействие на кристалл вызывает изменение его температуры, которое приводит к перемещению ионов в решётке, в результате чего образуется новый заряд положительный на одной стороне кристалла и отрицательный на другой.

Скорость изменения средней температуры пироэлектрической структуры определяет величину возникающего на кристалле заряда.

ПС являются микроколориметрами в качестве выходного сигнала в таких датчиках используют изменение напряжения или изменения тока между электродами, а в качестве чувствительного элемента чаще применяют LiTiO₃.

Схема пироэлектрического сенсора.

Нагревательный электрод используется для введения в систему регулирующего количества тепла, что приводит к линейному изменению температуры датчика с постоянной скоростью. Один из элементов датчика покрывается катализатором или выполняется из каталитически активного металла (Pt, Ni). Для протекания реакция окисления детектируемых газов в результате которой выделяется или поглощается некоторое количество тепла, что приводит к изменению выходного сигнала.

Форма сигнала сенсора

Каждый пик соответствует какой-либо реакции, протекающей на катализаторе при определённой температуре. Чувствительность по водороду таких сенсоров составляет 10^-9%.

Термокаталитические сенсоры

Работают на эффекте изменения электрофизических свойств чувствительного элемента в процессе нагрева за счёт энергии выделяющейся в результате каталитической реакции. В данном классе устройств наиболее распространённым являются моноэлектродные сенсоры (пеллисторы), представляющие собой спираль из платиновой проволоки толщиной 5-25 мкм, покрытую слоем керамики (Al₂O₃) поверх которой нанесён слой катализатора (Pt,Ni).

Принцип работы основан на тепловом эффекте каталитического окисления газа, сопровождается изменением температуры сенсора и следственно сопротивление платиновой спирали. В пеллисторах вместо керамического покрытия используют полупроводниковые покрытия (SnO₂, In₂O₃).

Массочувствительные сенсоры

В качестве МС используют приборы на повторных акустических волнах на основе пьезоэлектриков, в которых деформации наводят поверхностный заряд. Периодические напряжения связанные с механическим резонансом плотно создавать при помощи переменного тока той же частоты, что и резонанс. Механический резонанс определяется массой структуры, разрешение метода 10^-12г.

На подложке из пьезоэлектрика 1 формируется четыре системы, тонкоплёночных и встречноштырьевых электродов. Подложка должна иметь поверхность отполированную до оптической точности, т.к. неровности вызывают значительные акустические потери. Одна пара электродов 2 служит для инициирования поверхностно акустической волны путём подачи на них переменного напряжения. Сформированная волна распространяется по поверхности пьезоподложки ко второй паре электродов 3, которая служит для детектирования волны и преобразования её в переменный электрический сигнал. В области распространения волны нанесён слой 4 селективно сорбирующий молекулы детектированного вещества, что сопровождается уменьшением скорости распространения поверхносто-акустичекой волны и следовательно частоты колебаний. Электрические сигналы по двум линиям усиливаются усилителем 5 и поступают на счётчик смешанной частоты 6. Разность в частотах пропорциональна количеству сорбированного вещества, а селективность определяется типом используемого чувствительного слоя.