Сенсор на основе твёрдых электролитов

Применяются для определения тех газообразных веществ, чьи ионы при диссоциации обуславливают проводимость твёрдых электролитов (ионы проводников).

Схема керамического сенсора кислорода.

Принцип работы сенсоров состоит в том, что поступающий газ диффундирует через пористый рабочий электрод к границе раздела электрод - твёрдый электролит, где происходит его диссоциация с образованием ионов, которые под действием электрического поля диффундируют через чувствительный элемент сенсора к другому электроду.

Принцип действия керамического сенсора кислорода: со стороны катода выполненного либо перфорированным либо в виде растровой системы, происходит сорбция молекул кислорода, которая диссоциирует с образованием заряжённых ионов. Диффундирует через чувствительный элемент к аноду, где разрежается с образованием молекулярного кислорода. Ток в измерительной цепи пропорционален содержанию кислорода в исследуемой атмосфере. Поскольку подвижность ионов не велика для её увеличения чувствительные элементы сенсоров нагревают до 750-1100 ^oC. Так же есть сенсоры чувствительные к водороду, аммиаку. В них чувствительный элемент изготавливается из протонного проводника Sb₂O₅*2H₂O.

Потенциометрические сенсоры

Электроды, равновесный потенциал которых в растворе электролита, содержащего определяемые ионы обратимо и избирательно зависит от их концентрации называются ион-селективными. Их используют для определения концентрации ионов в электролите. Основным методом определения ионселективных электродов является мембрана проницаемая только для ионов определённого типа. На мембрану подаётся потенциал.

Между областями, разделёнными мембраной возникает разность потенциалов, связанная с возникновением активных ионов.

Потенциометрические сенсоры. Устанавливаемые на основе МДП, МОП-структур

В данных структурах используется явление, изменения характеристик области повторного объёмного заряда полупроводника. При замене металла затвора проводящим раствором, изолирующая область покрывается ион-селективной мембраной и подвергается воздействию ионов. Для создания химических сенсоров используется два вида мембран чувствительных к ионам:

1) Образующие форадеев переход (неполяризуемый).

2) Образующие нефорадеевский переход (поляризуемый)

Схема сенсора для определения хлорид ионов

В данном сенсоре основой является пара AgCl-Ag, где поглощение хлорид иона приводит к образованию в AgCl вакансий Ag⁺ (V⁺Ag) эта вакансия серебра диффундирует к границе раздела AgCl-Ag и разрушается по реакции V⁺Ag+Ag^o>Ag⁺+e^-. В результате выделяется свободный электрон на серебряном электроде. Электроны, выделяющиеся при поглощении Cl^- будут создавать некоторый потенциал относительно подложки и раствора, что ведёт к изменению тока транзистора. Существует большой класс потенциометрических сенсоров на основе ионселективных полевых транзисторов (ИСПТ).

ИСПТ – сенсор на основе тонкоплёночной мембраны, в которой используется явление изменения проводимости канала полевого транзистора, при изменении концентрации опред. Ионов в растворе.

В качестве ионселективных мембран применяют оксид кремния, алюминия, титана, металлов платиновой группы, органических соединений.

На границе раздела мембран возникает разность потенциалов, величина которая зависит от концентрации ионов в растворе.

Одно из направлений применения ИСПТ:

1) В качестве биосенсоров (в медицине). В основе работы биосенсоров лежат реакции катализируемые ферментами.

2) «Электронный язык». Они объеденяют масиив неспецифичных сенсоров с высокой перекрёстной чувствительностью. Перекрёстная чувствительность – воспроизводимый отклик сенсора возможно большему числу компонентов раствора. Применяют для анализа вина, растительного масла, алкогольный напитков, фруктов, мяса, рыбы и т.д.

Амперометрические сенсоры

Амперометрия – область вольтамперных измерений электрохимических систем, где между парой электродов прикладывается потенциал.

Электроды: индикаторный электрод и электрод сравнения.

Ток протекает через границу раздела электрод-жидкость и зависит от электрохимических реакций, происходящих на границе раздела.

На вольтамперной характеристике имеется место (плато), где ток практически не зависит от приложенного напряжения (ток насыщения). Ток в этой области возрастает в результате химической реакции пропорционально концентрации реагирующего компонента.

В электролите протекает реакция с участием кислорода.

Амперометрические сенсоры применяют и в качестве биосенсоров. Биосенсоры отличаются от химических сенсоров тем, что концентрация определяемого вещества измеряется с помощью материала биологической природы.

Принцип работы амперометрических биосенсоров: определяемый компонент диффундирует через мембрану в тонкий слой биологического материала, в котором протекают реакции с образованием продуктов на которые реагирует электрод.