Н.Н. САМОТАЕВ , Б.И. ПОДЛЕПЕЦКИЙ , А.А. ВАСИЛЬЕВ ,

УДК 621.382(06) Микро- и наноэлектроника
Н.Н. САМОТАЕВ1, Б.И. ПОДЛЕПЕЦКИЙ1, А.А. ВАСИЛЬЕВ2,
Р.Г. ПАВЕЛКО2, А.В. ПИСЛЯКОВ2
1Московский
инженерно-физический институт (государственный университет)
2University Rovira i Virgili, Tarragona, Spain
МЕТАЛООКСИДНЫЙ СЕНСОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
С ПОВЫШЕННОЙ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ К АММИАКУ
В данной работе показана возможность селективного детектирования газообразного аммиака при помощи полупроводникового сенсора на основе SnO2 работающего в режиме быстрой температурной модуляции.
В настоящее время существует ряд задач газового анализа, где невозможно применение широко распространенных жидкостных электрохимических сенсоров, в частности, из-за их малых сроков службы, возможных
экстремальных колебаний влажности в рабочей атмосфере или продолжительного экспонирования при повышенных концентрациях газа. Одной из
таких задач является измерение аммиака в охладительных установках. В
этих случаях очень хорошо подходят полупроводниковые твердотельные
газовые сенсоры [1], хотя и они не лишены недостатков. В частности, одним из недостатков – является низкая селективность к аммиаку.
Обычно для повышения селективности подобного класса сенсоров выбирают два направления: синтез новых полупроводниковых материалов
чувствительных исключительно к аммиаку и применением различных
фильтров [2]. Причем в обоих случаях не уделяют внимание температурному режиму эксплуатации сенсора и используют режим постоянного
нагрева, что не лучшим образом сказывается на энергопотреблении.
Хотя данная работа и не исключала классические направления, основной упор все же делался на повышение селективности измерения NH3 за
счет режима нагрева сенсора. Идея метода состоит в том, что при быстром нагреве сенсора удается разделить во времени процессы, протекающие в электронной подсистеме полупроводникового сенсора и сравнительно медленные химические процессы, протекающие на каталитически
активной поверхности.
В данной работе, в качестве газочувствительного элемента использовался толстопленочный полупроводниковый металлоксидный газовый
сенсор на основе нанодисперсного порошка SnO2 с удельной поверхностью 55 г/м3 и легирующими добавками палладия, выполняющих роль
катализатора [3]. Платиновый нагревательный элемент сенсора включался
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 8
118
УДК 621.382(06) Микро- и наноэлектроника
в измерительную схему, где заранее заданные температуры сенсора поддерживалась ШИМ–регулятором, управляемым микроконтроллером.
Сенсор эксплуатировался в режиме 14 секундного циклического
нагрева, где первые 4 секунды составляли нагрев до 450 0С, а последующие 10 секунд охлаждение до 110 0С. По отклику сенсора (рис.1) видно,
что воздействие на сенсор различных типов газов, на стадии нагрева до
450 0С формирует набор специфических максимумов проводимости, причем, для различных газов форма и температура максимума различны.
Наиболее отчетливый максимум по соотношению концентрации газа к
приращению проводимости выражен для NH3. Экспериментальные данные показали, что порог селективной чувствительности сенсора к NH3
равен 5 ppm, а маскирующим фактором – водород, концентрацией свыше
100 ppm. Полученные результаты свидетельствуют о том, что выбранный
нами подход дал следующие преимущества – селективность в определении типа газового реагента на этапе взаимодействия с газочувствительным полупроводниковым слоем и уменьшение энергопотребления сенсора в 2,5 раза по сравнению с классическим термостатированным режимом
работы.
Рис. 1. Отклики сенсора на различные газы
Рис. 2. Чип сенсора (~2.0×0.5×0.1мм)
в корпусе TO-8
Список литературы
1. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю.Интегральные сенсоры концентраций газов.
Датчики и системы 2002, №4 стр.38-53.
2. Technical information of Ltd. “Capteur”. Cap06 (Ammonia sensor), www.capteur.co.uk
3. N.N. Samotaev, A.A.Vasiliev, B.I. Podlepetsky, A.V. Sokolov, A.V. Pisliakov. The Mechanism of the Formation of Selective Response of Semiconductor Gas Sensors in Mixture of
CH4/H2/CO with Air. Sensors & Actuators: B 127-1(2007), pp. 242-247.
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 8
119