- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
Принцип действия таких датчиков основан на изменении поверхностного сопротивления полупроводниковой пленки в результате адсорбции молекул газа.
Полупроводниковые датчики просты, дешевы, универсальны, могут использоваться для определения процентного содержания любых газов в воздухе. Чувствительный элемент датчика состоит полупроводниковой монокристаллической пленки окисла металла: SnO2, In2O3, ZnO, MoO3 или других. Окислы большинства металлов являются широкозонными полупроводниками с высоким удельным сопротивлением. За счет легирования примесями или из-за нарушений стехиометрического состава они обладают электронной или дырочной проводимостью. Например, SnO2 с дефицитом кислорода является полупроводником n-типа с шириной запрещенной зоны 3,5 эВ. Поверхностная проводимость пленок за счет локальных поверхностных состояний имеет меньшее значение по сравнению с объемной – рис. 4.1.
Рис. 4.1. Энергетическая схема полупроводника n-типа,
иллюстрирующая поверхностное искривление
энергетических зон
Абсорбция поверхностью сенсора молекул газа – доноров электронов, например, любого горючего (окисляющегося) газа типа Н2, СО, СН4, С2Н5ОН и других, приводит к уменьшению искривления зон и к уменьшению поверхностного сопротивления, которое пропорционально концентрации молекул газа. Адсорбция молекул газов O2, O3, Cl2 и других –акцепторов электронов – увеличивает поверхностное сопротивление. Для увеличения вклада поверхности в общую проводимость пленки используют мелкозернистые поликристаллические слои. Сопротивление сенсора в чистом воздухе RA велико, но при напуске газов восстановителей (Н2, СО и др.) уменьшается по степенной зависимости
RS = K∙CS-α, (4.2)
где CS – концентрация газа в воздухе; К и α – константы.
Газовая чувствительность сенсора SG определяется как отношение сопротивлений сенсора в воздухе RA и в газовой среде RS
SG = RA/RS. (4.3)
Иногда газовую чувствительность оценивают параметром SG´, определяемым через относительное изменение электропроводности при наличии газа GS относительно значения на воздухе GA
SG´ = ( GS - GA)/ GA = GS/ GA – 1 = RA/RS – 1 = SG – 1. (4.4)
Адсорбция любого газа зависит от температуры; каждый газ имеет свою характерную температуру максимальной адсорбции. Поэтому селективность датчика определяется его рабочей температурой. Другой способ повышения селективности – легирование пленок определенными примесями.
Для удаления адсорбированного газа с поверхности чувствительного слоя датчик нагревают до температуры десорбции молекул адсорбированного газа (более 500 ºС). После десорбции датчик снова готов к работе. При разных рабочих температурах одним датчиком можно контролировать разные газы при различных рабочих температурах. Простота конструкции, малая потребляемая мощность, возможность измерения концентраций любых газов в воздухе являются достоинствами датчиков. К недостаткам полупроводниковых датчиков относятся невысокая селективность к разным газам, невозможность контроля двух и более газов в воздухе, отравление газочувствительного слоя некоторыми веществами.