Фізико-технологічні основи одержання чутливих елементів для датчиків газів (стр. 4 из 11)

Рис.1. Резистивний датчик етанолу: 1 — шар SiO2 (1 мкм); 2— полі-кремній; 3 — піролітичний SiO2 (1 мкм); 4 — плівка SnOx; 5 — контакти Al/Cr; 6 — островки PdAu [3]	Рис.2. Датчик СО: 1 — Si жорстка опора; 2 — пиролітичений SiO2;3— плівки Au/Mo; 4 — изолюючий шар; 5 — плівка SnO2 [3]

Іншу конструкцію (Рис.3) запропонувала фірма Figaro Engineering Inc. (Японія)в своєму датчику TGS2611 (чутливість якого подано на Рис.4 ) [4]. На трубчату підложку із оксида алюмінію (Рис.3) нанесено тонкий шар оксиду олова (SnO₂), легованого елементами, що мають каталітичну дію (Pt, Cu, Ni, Pd), щоб забезпеxити більш високу чутливість напівпровідника до конкретного типу газу.

Рис.3. Схема датчика на основі оксиду олова.1 . керамічна трубка тримача;2 . резистивний нагрівник; 3. електрод;4 . зажими; 5. легований оксид олова. [4]	Рис.4. Приклад характеристик чуутливостідатчика на основі оксиду олова (TGS2611) [4]

Для визначення наявності CO₂, наприклад фірма Figaro Engineering Inc. (Японія) використовує датчик на основі твердого електроліту (TGS4110) [4]. Цей датчик являє собою гібридну структуру на основі чутливого елементу (Рис.5) та внутрішнього термістора. Сенсор, чутливий до вуглекислого газу (Рис.6), складається з твердого електроліту між двома електродами, носієм заряду в якому є катіони натрію (Na+), а також нагрівного елементу , виконаного у вигляді паладієвої підложки. Катод (електрод порівняння виготовляється з карбонату літія, анод (вимірювальний електрод) – з золота. Внутрішній термістор служить для кмпенсації температурної залежності сенсора. При наявності вуглекислого газу на електродах сенсору відбуваються наступні хімічні реакції:

Катод: 2Li+ + CO₂ + 1/2O₂ + 2e- = Li₂CO₃

Анод: 2Na+ + 1/2O₂ + 2e- = Na₂O

В цілому : Li₂CO₃ + 2Na+ = Na₂O + 2Li+ + CO₂

В результаті електрохімічної реакції елемент створює різницю потенціалів (ЕРС), що являєтья відгуком датчика і відображається законом Нернста наступним чином:

ЕРС = Ec . (RT/2F)ln(P(CO₂))

де Ec . константа, R - універсальна газова, постійна, F - постійна Фарадея, T – абсотютна температура (К), P(CO₂) – парциальний тиск вуглекислого газу.

Чутливість такого датчику показана на Рис. 6.

Рис.5. Конструкція чутливого елементу датчика на основі твердого електроліту. 1 . нагрівний елемент (платина), 2 . контакти, 3 . герметизація (скло), 4 . вимірювальний електрод (анод), 5 . твердий электроліт, 6 . електрод порівняння (катод) [4]	Рис.6. Чутливість датчикаTGS4160 до різних газів. [4]

У МДН- структур з затвором з паладію при наявності водню, молекули останнього при адсорбції дисоціюють на атоми, що розчиняються в паладії і під дією градієнта концентрації дифундують до границі поділу Pd-SiO₂ [2]. На цій границі внаслідок реакції H←→H+ + e− утворюється дипольний шар, іони розташовуються на активних центрах границі поділу Pd-SiO₂, а електрони залишаються в паладії. Таким чином в діелектрику появляється додатковий заряд, який приводить до зсуву ВАХ, зміни напруг плоских зон та порогової напруги. Існує декілька конструкцій датчиків хімічного складу на основі МДН-структур. Наприклад, диференціальний датчик водню на МДН – транзисторі має вид представлений на Рис. 7. На одному кристалі формують два МДН – транзистора, що відрізняються лише матеріалом металічного затвору. Шар SiO₂