Измерительные приборы

Си

I oU

Щ

I"

1«

1о.ъ

1% - CH₄

Sn₂O:Pt

1%

CH₄

Ъ*

Рисунок 7.32—Зависимость чувствительности от вида легирующей добавки и рабочей

температуры

На рис. 7.32 показана зависимость чувствительности, выраженной изменением относи-тельной величины тока (Δ I / I), протекающего через чувствительный элемент от легирующих добавок и температуры для CO с концентрацией 10^-2% и CH₄ с концентрацией 1%. При легировании медью оптимальная чувствительность, например, для СО получается при 370°С. В случае метана оптимальная чувствительность достигается при легировании платиной и работе при температуре 500 °С. На основании этого получаются два датчика, которые в определенных случаях применения обеспечивают селективную индикацию.

Для нахождения соотношения между электрическим сопротивлением пленки и измеряемой концентрацией газов можно воспользоваться следующим эмпирическим выражением:

R _s = А(С)^{- α},

где R _s — электрическое сопротивление детектора, А — константа, определенная для данного химического состава, С — концентрация исследуемых газов, а α — наклон характеристи-ческой кривой сопротивления, построенной для данного оксида металла и конкретного газа.

Поскольку в таких детекторах меняется их удельное сопротивление, они не могут работать самостоятельно, а должны быть включены в состав дополнительной электронной схемы. В роли такой схемы, как правило, используется мост Уитстона, в одно из плечей которого встраивается детектор. Изменение сопротивления детектора приводит к разбалансу моста (рис. 7.33). Для температурной балансировки мостовой схемы применяется термистор с отрицательным температурным коэффициентом с параллельным линеаризующим резистором.

SnO₂

+

─ Рисунок 7.33—Металл-оксидный химический детектор, включенный в схему моста Уитстона

Указанные датчики, как уже было отмечено выше, нашли широкое применение в различных областях деятельности человека и, в частности, для контроля утечки газа на производстве и в домашних условиях, а также для анализа на содержание алкоголя, так как в принципе эти датчики реагируют на все горючие газы (окислители).

Химические полевые транзисторы(ХТП)

Такие датчики реализуются на основе структур МДП-транзисторов, на затворы которых наносятся один или несколько слоев специальных покрытий, способных реагировать на определенные химические вещества.

7 0 4_

21

Рисунок 7.34—Схема химического полевого транзистора

Эти химические реагенты, воздействуя затвор транзистора, меняют его проводимость между стоком и истоком. Величина этих изменений определяется типом химического вещества. В зависимости от типа исследуемых реагентов меняется и тип покрытий. Существующие химические полевые транзисторы позволяют детектировать водород в воздухе, кислород в крови, некоторые нервно-паралитические газы, NH₃, С0₂ и некоторые взрывоопасные вещества.

На рис. 7.34 приведена упрощенная схема такого ХПТ. На подложке 5 из кремния с проводимостью p -типа создано два электрода (исток 8 и сток 9) из полупроводника n -типа. Ука­занная конструкция покрыта изолирующим слоем диэлектрика 4, на который нанесена ионоселективная мембрана 3. Роль затвора играют электрохимическая ячейка 2, в которую вносят исследуемый раствор, и электрод сравнения 1.

На границе раздела мембрана — электролит возникает разность потенциалов, величина которой зависит от концентрации ионов в растворе. Разность потенциалов между мембраной и полупроводником в соответствии с уравнением Нернста изменяет величину напряжения на затворе транзистора. Ток стока транзистора I _c

I _с = A • U_c [U₃ - В + (R-T-lnC_i^z /q-F) - U J1\, где С — концентрация иона i с зарядом q.

Следовательно, ток стока — функция концентрации ионов.

Определение концентраций ионов осуществляют по измерению тока стока при постоянном напряжении на затворе или по измерению напряжения на затворе при фиксированном токе стока. В качестве электрода сравнения применяются хлорсеребряный или другие электроды, которые могут монтироваться на том же чипе.

В качестве ионоселективных мембран применяются оксиды кремния, алюминия, тантала, рутения, титана, металлов платиновой группы, халькогенидные фторсодержащие стекла, органические соединения, соли металлов.

ХТП часто применяют с дифференциальных операционными усилителями (ОУ) как показано на рис. 7.34, что позволяет не только усилить сигнал, но и уменьшить шум и наводки.

Для анализа газов используют МДП-структуры,с затвором из каталитически активных переходных металлов (Pd, Pt, Ni и др.), которые изменяют свои характеристики под действием содержащихся в атмосфере газов. В МДП-конденсаторах наблюдается сдвиг вольт-фарадной

характеристики, в МДП-транзисторах - сдвиг вольт-амперной характеристики и изменение порогового напряжения.

Для увеличения адсорбционной чувствительности применяют, например, МДП-структуры с перфорированными затворами (рис. 7.35).

Pd

SiO2

/^■^	^ п п п pfiи п С
' ^
n	p -Si	n

Рисунок 7.35—МДП-транзистор с перфорированным затвором.

В палладиевом затворе методом взрывной литографии создаются поры диаметром 1,5-3,0 мкм, наличие которых облегчает доступ частиц газа к диэлектрику, а также увеличивает сорбционную поверхность. Перфорированный затвор выполняет роль катализатора, промотирующего ионную диссоциацию газовых частиц. Для увеличения селективности к газам на поверхность металла наносят слой цеолита.

В качестве диэлектрика в сенсорах на базе МДП-структур может использоваться воздушный зазор (рис. 7.36).

3 2 1

Рисунок 7.36—МДП-транзистор с воздушным зазором

Диэлектрик 1 из SiO₂ подтравливают таким образом, чтобы затвор 2 представлял собой консоль, под которой над каналом транзистора имеется участок воздушного зазора 3. Попадая в воздушный зазор между поверхностью полупроводника и затвором, исследуемый газ изменяет диэлектрическую проницаемость воздуха в зазоре, а также при сорбции на поверхности полупроводника и затвора формирует дипольный слой, что приводит к изменению порогового напряжения транзистора.

В другом варианте газового датчика с воздушным зазором применяют перфорированный сетчатый металлический затвор (рис. 7.37).

2

4 _

13

n

n

p- Si

Рисунок 7.37—МДП-транзистор с подвешенным затвором

В данном случае на слой диэлектрика 1 из SiO₂ наносят металлический подслой 2 толщиной требуемого воздушного зазора. На подслой наносят платиновый затвор 3, в котором методом взрывной литографии создают поры, после чего вытравливают участок подслоя над

каналом между стоком и истоком. Для повышения чувствительности перфорированный затвор покрывают адсорбционно-чувствительным покрытием 4. В этом случае анализируемый газ проникает в полость под затвором и взаимодействует с его внутренней поверхностью так же, как и с внешней и боковой, покрытыми чувствительным слоем.

Кроме того, применяют МДП-стуктуры без металлического затвора, в которых диэлектрик селективно адсорбирует полярные газы, чьи молекулы образуют дипольный слой. Его электрическое поле влияет на концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника.

Одно из направлений применения ХПТ- прижизненные (in vivo) измерения в медицине с внутрисосудистым и внутриполостным введением датчиков, которые называют биосенсорами. В основе работы биосенсоров лежат реакции, катализируемые ферментами, в результате чего неионное вещество превращается в ион, определяемый с помощью ХТП. Фермент иммобилизируют в мембране, например, для определения мочевины в качестве катализатора используют уреазу.

Для формирования чувствительных ансамблей на поверхностях физических преобразователей обычно используют один из двух общих подходов: моделирование рецепторных и преобразующих центров биологических объектов при помощи синтетических соединений и создание подходящих условий в искусственных системах для полноценного функционирования элементов молекулярных биосистем живых организмов (в первую очередь ферментов и иммуноглобулинов).

В настоящее время одним из перспективных направлений сенсорного анализа является применение сенсорных систем (массивов сенсоров) и методов обработки данных от таких массивов с помощью многомерных калибровок и распознавания образцов. Сенсорные системы такого типа называют «электронный язык» (ЭЯ) или «электронный нос» (ЭН). Они объединяют массив сенсоров с высокой перекрестной чувствительностью. Перекрестную чувствительность понимают как воспроизводимый отклик сенсоров к возможно большему числу компонентов раствора или газа. При правильной калибровке (градуировке, обучении) системы она дает возможность проведения многокомпонентного количественного анализа сложных жидкостей и газов. Кроме того, появляется новая возможность интегрального качественного анализа (идентификации, классификации, распознавания) сред сложного состава, например, пищевых продуктов. ЭЯ или ЭН успешно применяют для анализа различных сортов минеральной воды, прохладительных напитков, виноградных вин, соков, алкогольных напитков, а с применением специальных методик можно проводить измерения в непроводящих жидкостях, например, растительное масло, и в твердых пищевых продуктах (фрукты, мясо, рыба).

Как уже отмечалось, принцип действия измерительных приборов основан на преобразовании измеряемой величины в доступный для наблюдения сигнал, по уровню которого можно судить о ее значении.

По схеме преобразования различают структурные схемы измерительных приборов прямого действия и сравнения.

Дата добавления: 2014-12-08