Реферат: Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620
· Модульное построение.
· Малые габариты.
· Низкое энергопотребление.
Работы над созданием такого прибора были начаты на кафедре в декабре 1997 г.
Возможные пути решения
В настоящее время в прикладной химии одним из наиболее распространенных методов контроля состояния окружающей среды является газовая хроматография. Хроматография - гибридный метод: вначале на колонке в потоке анализируемого газа происходит разделение смеси на отдельные компоненты, а затем детектор, расположенный после хроматографической колонки, определяет содержание разделенных соединений в потоке газа-носителя. Газохроматографический детектор представляет собой измерительный прибор, который обнаруживает присутствие в газе-носителе компонентов, отличающихся от газа-носителя по химическому составу, и преобразует эту информацию в электрический сигнал. Многообразие требований способствовало появлению целого ряда детекторов, отличающихся по своим свойствам (чувствительности, селективности, динамическому диапазону и пр.).
К достоинствам газохроматографических методов следует отнести высокую селективность и точность. В основном это связано с хорошей проработанностью методов интерпретации результатов измерений. Как конструкция детекторов, так и методы обработки результатов, отрабатывались на протяжении десятков лет и в настоящее время разработаны высокочувствительные методы, позволяющие обнаруживать даже фемтограммы вещества. Однако эти результаты получены за счет чрезвычайно сложных (и, соответственно, дорогих) конструкций газовых хроматографов, работа на которых требует больших затрат рабочего времени высококвалифицированного персонала.
Для простых применений, когда можно обойтись небольшой точностью и селективностью, применяют газовые датчики, вырабатывающие более или менее специфичные для различных веществ электрические сигналы. При этом используются различные физические и химические эффекты, реализуемые в
* Термокондуктометрических ячейках (для обнаружения СО2 , SO2 , SF6 и др. газов).
* Термохимических (каталитических) ячейках (для обнаружения CO, взрывоопасных и горючих газов).
* Полупроводниковых датчиках (спирты, углеводороды, токсичные газы).
* Топливных ячейках (кислород).
Приборы, основанные на использовании газовых датчиков, отличаются относительной простотой конструкции, небольшой ценой и простотой в обращении с ними, что позволяет пользоваться ими персоналу не имеющему специальной подготовки. К недостаткам таких приборов относятся их низкая чувствительность и селективность. Эти приборы используются там, где необходимо определять концентрацию примесей на уровне единиц (редко - долей) объемных процентов и выше. Что касается селективности, то обычно требуется предварительная информация о том, какой газ (из группы газов, воздействующих на сенсор) присутствует в воздухе, после чего результаты измерений можно интерпретировать в терминах его концентрации.
Представляет несомненный интерес возможность создания анализатора газов, объединяющего достоинства газовых хроматографов (высокая чувствительность и селективность) и газовых датчиков (простота использования и оперативность измерений). Речь может идти о некотором компромиссе: вряд ли можно надеяться на создание датчика с параметрами газового хроматографа и ценой газового датчика, однако принципиальное улучшение параметров газовых датчиков при сохранении относительной (по отношению к газовым хроматографам) простоты конструкции и обслуживания представляется возможным. Определенные перспективы здесь открылись после разработки и освоения массового производства полупроводниковых газовых датчиков. Принцип действия таких датчиков основан на явлении изменения электрического сопротивления тонкопленочного полупроводника при абсорбции на его поверхности молекул различных газов. Последние становятся донорами (либо акцепторами) электронов в зону проводимости полупроводника. Чем больше концентрация молекул в окружающем пленку газе, тем больше число абсорбированных на поверхности молекул, и тем больше изменение сопротивления пленки. Как число абсорбированных молекул, так и результирующее изменение электропроводности пленки зависят от температуры.
Если задаться целью повышения селективности измерений, следует иметь в виду, что несмотря на качественную однотипность, температурные зависимости сопротивления (ниже, для краткости, будем называть их термограммами) полупроводникового сенсора в присутствии различных газов различаются. Ниже описана методика определения состава газовой смеси, основывающаяся на предположении о линейной аддитивности термограмм, и ее аппаратная реализация, примененная в приборы.
Следует отметить, что полученные на настоящем этапе исследования результаты как по чувствительности, так и по селективности разработанный анализатор газов уступает современным газохроматографическим анализаторам. Надо иметь в виду, однако, что это первый шаг в направлении модификации методов работы с полупроводниковыми газовыми сенсорами. Задача исследований на настоящем этапе состояла в основном в определении перспективности описываемого направления. В этом отношении полученные результаты представляются вполне обнадеживающими - показано, что обыкновенный полупроводниковый сенсор можно использовать для селекции отдельных газов в произвольной смеси.
Обзор литера туры
Что сделано другими ра зработчиками в этом направлении.
Среди работ по изучению свойств полупроводников заметную роль занимают работы по изучению взаимодействия полупроводниковых пленок и химических веществ. [2], [5].
Большинство таких работ ориентированы на определение содержания в газе какой-либо конкретной примеси. Например, в [5] исследовано влияние легирования медью на электропроводность и сенсорные свойства пленок SnO2 . Предложена модель, объясняющая повышенную чувствительность SnO2 к сероводороду. В рассматриваемом случае изменение проводимости проводимости обусловлено химическим взаимодействием электрически активной меди с серой во всем объеме пленки.
Наиболее впечатляющие результаты по созданию универсальных анализаторов газовой смеси на основе полупроводниковых датчиков были достигнуты при использовании в качестве детектора набора из нескольких десятков однотипных полупроводниковых пленок, по разному легированных примесями, создающими сильно удаленные от границ запрещенной зоны уровни. В зависимости от положения примесного уровня загрязнителя максимальное увеличение проводимости происходит в одной из таких ячеек. Выводы о характере присутствующих в газовой смеси загрязнителей делаются на основе совокупности сигналов от всех ячеек прибора. Такой прибор, фактически, представляет собой смонтированный в одном корпусе набор полупроводниковых детекторов, каждый из которых реагирует на какое-либо определенное вещество. Достаточно подробно такой датчик описан в [7].
Обзор современных полупроводниковых газовых датчиков
При изучении электрических свойств полупроводников было установлено, что их проводимость существенно меняется при появлении в полупроводнике примесей (процесс легирования полупроводника). Теоретическое обоснование такого изменения на примере модели Корнига-Пенни дано, например, в [4] и [12]. Если кристалл полупроводника представляет собой тонкую полупроводниковую пленку, то адсорбция на его поверхности молекул из окружающей полупроводник газовой среды так же приводит к изменению его электрических свойств. Поведение тонких полупроводниковых пленок рассматривается в [1]-[3]. В настоящее время явление изменения проводимости тонких полупроводниковых слоев при адсорбции на их поверхности различных химических веществ достаточно широко используется для создания полупроводниковых газовых датчиков [2],[5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления газовых датчиков в настоящее время является пористый кремний.
В настоящее время разработано и серийно выпускается несколько семейств газовых датчиков. Основным недостатком всех таких датчиков является их направленность на определенный вид химического вещества- загрязнителя или на определение загрязненности воздуха в целом.
Основными направлениями в разработке газовых датчиков являются разработки
· Датчиков загрязненности воздуха ( Air quality sensors )
· Датчиков токсичных газов
· Датчиков углекислоты
· Датчиков органических газов