Курсовая работа: Адсорбцiйнi чутливi елементи

ЗМІСТ

ВСТУП

1.ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Принцип роботи адсорбційних чутливих елементів

1.2 Загальна характеристика адсорбційних чутливих елементів

1.3 Адсорбційні чутливі елементи нового покоління

2 ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДЖЕННЯ АЧЕ, ЩО ПРАЦЮЮТЬ В РЕЖИМІ ЦИКЛІЧНОЇ ЗМІНИ ТЕМПЕРАТУРИ

2.1.Опис пристрою реєстрації аналогових сигналів

2.2.Дослідження двокомпонентних АЧЕ

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ВСТУП

Сучасний стан промисловості характеризується широкою автоматизацією технологічних процесів, переходом до розподілених АСУТП і гнучким автоматизованим виробництвом, що призвело до різкого зростання вимог до швидкості визначення параметрів і одержання результатів сприйняття і вимірювання в формі, зручній для подальшої обробки інформації в вимірювально-обчислювальних комплексах. Область використання систем управління і вимірювальних інформаційних систем часто обмежується через недостатню чутливість, точність і стабільність первинних перетворювачів-датчиків, їх невелику швидкодію і надійність, недостатньо малі габарити. За своїми функціональними можливостями, надійністю і вартістю датчики виявляються найслабкішою ланкою систем управління і вимірювання.

В зв’язку з цим останнім часом багато уваги стали приділяти, зокрема, розробці датчиків складу газових середовищ. Суттєвим кроком вперед стало створення нового класу датчиків, які перетворюють значення концентрації безпосередньо у вихідний електричний сигнал, а саме адсорбційних чутливих елементів (АЧЕ). Вони мають наступні переваги: висока швидкодія і практично миттєва реакція на появу певного газу, великий термін служби, простота конструкції, надійність, малі габарити, незначна вартість, мале енергоспоживання і т.п. Завдяки логарифмічній залежності опору напівпровідникового матеріалу від концентрації газу АЧЕ використовуються в широкому діапазоні концентрацій газу, мають високу чутливість до низьких концентрацій і великий вихідний сигнал без підсилення.

1 ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Принцип роботи адсорбційних чутливих елементів

В основу роботи адсорбційних чутливих елементів покладена властивість напівпровідників змінювати свою електропровідність під впливом хемосорбції. Згідно з електронною теорією [1] цей ефект є наслідком зарядження поверхні при хемосорбції досліджуваного газу і зміщення рівня Фермі, що внаслідок цього відбувається.

Зарядження поверхні при хемосорбції в свою чергу зумовлено наявністю на поверхні "міцної" форми хемосорбції, тобто такої форми, при якій хемосорбована частинка утримує на собі вільний електрон або "дірку" кристалічної решітки. Величина і знак поверхневого заряду, що виникає при хемосорбції, залежать від природи хемосорбованих частинок, ступеня заповнення поверхні і положення рівня Фермі. Від заряду поверхні буде залежати і ступінь зміни електропровідності АЧЕ. Таким чином, залежність електропровідності АЧЕ від природи і концентрації частинок, хемосорбованих на його поверхні, дозволяє з великою точністю визначати наявність різних за своєю природою мікродомішок в досліджуваному газовому середовищі. Вказане явище особливо зручно спостерігати в тому випадку, коли АЧЕ виготовлено у вигляді тонкої монокристалічної або полікристалічної плівки, товщина якої не перевищує довжину екранування, рівну, наприклад, для напівпровідникових окислів металів в середньому 0,1-1 мкм [2].

До напівпровідників всіх форм, що використовуються як робочі елементи АЧЕ, є наступні вимоги: напівпровідники повинні мати достатню хімічну стійкість, не повинні утворювати стійких хімічних сполук з адсорбованими частинками, а також мати достатню механічну і термічну міцність. Найбільшу чутливість до адсорбції повинні мати широкозонні домішкові напівпровідники, що пов'язано з практично повною відсутністю в них власних носіїв заряду і, як наслідок, величезною чутливістю їх електропровідності до легування будь-якого типу. Виходячи з цього, тепер найбільше поширення мають АЧЕ на основі металооксидних напівпровідників, таких як SnO₂ , ZnO, TіO₂ (напів­провідники n-типу) та NіO, Cu₂ O, Іn₂ O₃ (напівпровідники p-типу).

При хемосорбції на поверхні окислів металів з електронною провідністю акцепторних частинок (О₂ , Cl₂ , Вr₂ ) електропровідність їх різко зменшується, а при хемосорбції донорних частинок (Н₂ , СО) - значно збільшується. Вплив хемосорбції на електропровідність окисних напівпровідників з дірковою провідністю має протилежний характер. В ефектах впливу адсорбції різних частинок на електропровідність окисних плівок велике значення має реакційна здатність частинок, що адсорбуються.

Велика чутливість напівпровідникових окислів до адсорбції на них активних частинок тим, що акцепторні частинки, наприклад, "з задоволенням" взаємодіють з поверхневими домішковими атомами металів (власними або чужорідними) окисних напівпровідників, тобто центрами домішкової електропровідності напівпровідників n-типу, і блокують ці центри. Це призводить до зменшення концентрації носіїв струму в напівпровідниках, і отже до зменшення електропровідності. Адсорбція донорних частинок на окисних напівпровідниках з електронною провідністю, навпаки, призводить до легування напівпровідників, збільшуючи тим самим концентрацію донорних домішкових атомів, що призводить до збільшення концентрації носіїв струму в напівпровіднику і отже до збільшення її домішкової електропровідності.

Зміна електропровідності окисних напівпровідників в результаті хемосорбції на їх поверхні газів є оборотним процесом при підвищених температурах, і необоротним - при низьких. В останньому випадку для очистки поверхні від продуктів реакції необхідно прогріти окисел до 200 - 500 °С.

Напівпровідники, що використовуються як адсорбенти, за своєю кристалічною формою (безпосередньо пов'язаною з чутливістю до адсорбції) можна поділити на монокристали, монокристалічні плівки, нанесені на діелектричні підкладки, і спечені полікристалічні напівпровідники [3].

Використання монокристалів в якості адсорбційних чутливих елементів в газовому аналізі не оправдано внаслідок їх малої чутливості, складної технології виготовлення і ненадійності в експлуатації (проблема старіння).

У випадку порошків і полікристалічних плівок електропровідність на постійному струмі в значній мірі залежить від наявності величезної кількості бар'єрів між кристалами, завдяки чому чутливість електропровідності полідисперсної структури до хемосорбції дуже велика. Тому полікристалічні структури стали широко застосовуватись в якості газочутливих елементів.

Основним недоліком АЧЕ є їх недостатня селективність. З метою підвищення селективності напівпровідникові матеріали легуються дорого­цінними металами або окислами металів. Слід відзначити, що єдиної теорії вибору легуючих домішок для АЧЕ не існує і цей пошук здійснюється, головним чином, емпіричним шляхом.

1.2 Загальна характеристика адсорбційних чутливих елементів

Провідними в галузі розробки і виробництва адсорбційних чутливих елементів (газочутливих елементів) є японські фірми FІGARO та FІS [4, 5]. Елементи цих фірм широко використовуються в багатьох країнах світу для створення на їх основі приладів і систем контролю за станом оточуючого природного середовища.

АЧЕ поділяються на категорії залежно від газу, що визначається. В табл. 1.1 наведені прийняті в світовій практиці категорії АЧЕ за цією ознакою.

За способом виготовлення серійні АЧЕ можна поділити на дві групи: з прямим і непрямим підігрівом.

АЧЕ з прямим підігрівом виготовляються з напівпровідникового матеріалу з нагрівником, розташованим безпосередньо в напівпровіднику. Вони виготовляються шляхом пресування і спікання металооксидних порошків в суміші із зв’язуючими матеріалами і можуть мати форму кулі, таблетки або прямокутного тіла. Технологія їх виготовлення близька до відомої технології виготовлення термісторів. Перевагою таких АЧЕ є відносна простота виготовлення, недоліком – інерційність, пов'язана з швидкістю дифузії газу в напівпровідник, недостатня механічна міцність.

Таблиця 1.1 – Класифікація АЧЕ по газам, що детектуються.

Категорія	Газ, що визначається
Вибухонебезпечні гази	Загальне призначення
	Метан
	Пропан/бутан
	Водень
Органічні розчинники	Загальне призначення
	Алкоголь
Фреон	R-22
	R-134a
Токсичні гази	Оксид вуглецю
	Сірководень
	Аміак
Окислювальні гази	Озон
	Окисли азоту
	Хлор
Контроль приготування їжі	Загальне призначення
	Вологість
	Алкоголь
	Горючий газ
Контроль якості повітря в примі­щеннях (системи контролю очищувачів повітря /вентиляції)	Загальне призначення
	Сигаретний дим
	СО2
Контроль повітряного демпфера в автомобілях	Бензинові вихлопні гази
	Дизельні вихлопні гази

Крім того, при зміні температури оточуючого середовища порушується електричний зв'язок між вимірювальним і електричним колами, що вимагає введення в вимірювальну схему додаткових схемних розв'язок [6].

Вказаних недоліків позбавлені АЧЕ з непрямим підігрівом, які в свою чергу, бувають пластинчатими (рис. 1.1) та трубчатими (рис. 1.2). Вони відрізняються більшою відтворюваністю і стабільністю параметрів. Такого типу АЧЕ розробляються і в Ужгородському національному університеті.

Рис. 1.1АЧЕ пластинчатої конструкції

Рис. 1.2 АЧЕ трубчатої конструкції

Серійні АЧЕ, як правило, виготовляються у вигляді конструктивно завершених виробів, із стандартним розташуванням виводів. Для захисту від вибуху використовуються спеціальні сітки, армовані пластмасою або металом.

1.3 Адсорбційні чутливі елементи нового покоління

Останнім часом з’явились АЧЕ, що працюють в режимі циклічної зміни температури, при якому робоча температура змінюється періодично між двома специфічними станами: високою температурою (В) – для очищення поверхні напівпровідникового газочутливого шару АЧЕ і низькою температурою (Н) – для детектування певного газу.

При використанні цього режиму роботи можна досягти високої чутливості АЧЕ до того чи іншого газу з хорошою селективністю і відтворюваністю сигналу завдяки тому, що поверхня чутливого елемента очищується при високій температурі в кожному циклі. Прикладами практичної реалізації цього режиму роботи є елемент SB-50 японської фірми FIS, у якого термоочистка здійснюється через кожні 15 с і триває протягом 5 с [4]. Принцип роботи такого АЧЕ показано на рис. 1.3.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--