Газоанализатор кислорода
Проведённые нами исследования тонких пленок сульфида самария, нанесённых на диэлектрическую подложку с выведенными металлическими контактами для измерений проводимости, позволили нам подтвердить возникшие ранее предположения о возможности использования данного материала в качестве газоанализатора кислорода.
Нами было установлено, что отожжённые пленки сульфида самария по сравнению с полупроводниками на оксидах металлов имеют существенно более высокие значения концентрации ионизированных донорных примесей. Эти значения у сульфида самария имеют значения порядка 1022 см-3, тогда как у оксидов металлов 1017 см-3.
Кроме того, диэлектрическая проницаемость у сульфида самария значительно выше полупроводников на оксидах металлов и составляет численное значение порядка 18. Это отражается на термодинамической стойкости образования поверхностных химических соединений кислорода с центром адсорбции.
В результате проведенных экспериментом обнаружили, что по сравнению с полупроводниками на оксидах металлов, у полупроводниковых пленок сульфида самария более высокая чувствительность к адсорбции кислорода.
Таким образом, мы считаем, что использование пленок сульфида самария в качестве чувствительного слоя газоанализаторов кислорода позволит существенно повысить чувствительность прибора в сравнении с приборами, использующими полупроводники на оксидах металлов.
Новизна разрабатываемых газоанализаторов кислорода заключается в применении методики газового экспресс-анализа с помощью пленок сульфидов самария. Нами был разработан новый метод детектирования газовых компонентов. Суть его заключается в поиске оптимальной температурной чувствительности поверхности полупроводникового элемента к концентрационному воздействию той или иной микропримеси с возможностью получения быстродействующего отклика чувствительного элемента в режиме реального времени.
SmS – газоанализаторы – это принципиально новый класс газоанализаторов, отличающийся от аналогов удобным интерфейсом пользователя, наличием самодиагностики основных параметров измерительных системы, возможностью дистанционного управления с рабочего стола ПК или встроенного компьютера, а новые портативные модификации приборов позволят достичь критериев мобильности аналитических систем, надежности в эксплуатации и оперативности сервисного обслуживания.
Конструктивно детектор выполнен в виде двух одинаковых термостатированных реакционных ячеек: измерительной и сравнительной, в которых размещены нагревательные элементы – проволочные спирали, включенные в смежную измерительную цепь моста Уинстона. Принцип действия датчика основан на том, что нагретое тело теряет теплоту со скоростью, зависящей от состава окружающего газа, поэтому скорость теплоотдачи может быть использована для определения состава газа. Нагревательные элементы в сравнительной и рабочей ячейках, нагревают постоянным электрическим током от аккумуляторной батареи или от специального стабилизированного источника питания. Теплопроводность окружающего нагревательные элементы газа определяет температуру, а, следовательно, и сопротивление нагревательных элементов. Когда через обе ячейки датчика протекает чистый газ-носитель, температура нагревательных элементов одинакова. Если через сравнительную ячейку протекает чистый газ-носитель, а через измерительную – газ-носитель плюс компонент, выходящий из хроматографической колонки, то температура, а, следовательно, и сопротивление нагревательных элементов будут разные, что нарушает баланс измерительного моста. Выходной сигнал с датчика сравнивается со стандартными нагревательными элементами.
На рисунке ниже представлена конструкция датчика кислорода, где
- - диэлектрическая подложка
- - поликристаллический слой материала на основе Sm1-xLnxS)
- - металлические электроды
Разработан компактный газоанализатор обладающий следующими особенностями:
- Высокой чувствительностью (10-4-10-5)
- Селективностью к различным газам (О2 и другие)
- Высокой стабильностью к воздействию внешних условий (температура, радиация, механические нагрузки)
- Низким энергопотреблением
- Возможностью работы от портативных источников питания (батареек)
- Высокой технологичностью в изготовлении
- Конкурентной стоимостью
Разработанные SmS сенсоры позволят в ближайшее время осуществить конкурентно-способный прорыв в изготовлении и применении полупроводниковых датчиков в газовом анализе ряда загрязнителей атмосферного воздуха, а также добиться успеха в их применении для контроля и управления технологическими процессами.
Основные свойства полупроводникового SmS, обеспечивающие конкурентные преимущества разрабатываемых SmS газоанализаторов:
Высокие концентрации ионизованных доноров (Nd ~ 1019-1020 шт/см3) | |
Обеспечивающие электронную проводимость n-типа в SmS, что близко к теоретически возможному пределу Вейца для поверхности (Ns ~1012 -1013 шт/см3), и практически не достижимо в других полупроводниках. Это обеспечивает высокую чувствительность к ряду газов и снижает температуру детектирования примесей (т.е. рабочую температуру сенсора) | |
Низкая рабочая область температур детектирования | |
Например для кислорода воздуха ~130 - 150°C | |
Высокая диэлектрическая проницаемость (ε ≈ 18) | |
Существенно понижает по сравнению с оксидами металлов энергетические характеристики. Например, эффективная энергия активации проводимости составляет Ei ≈ 0.042 эВ, что делает активационные процессы низкоэнергетическими, а в ряде случаев приводит и к безактивационным процессам (например, прыжковой проводимости, что не наблюдается в типичных полупроводниках) | |
Температура плавления SmS составляет 2300°C | |
Позволяет отнести этот полупроводник по применимости к высокотемпературным материалам | |
Рекордно высокая радиационная стойкость | |
SmS среди известных полупроводников обеспечивает высокую термодинамическую стабильность и применение в атомной промышленности и ракетно-космической техники | |
Высокая чувствительность пленок к адсорбции | |
Высокая чувствительность пленок к адсорбции ряда газов существенно не влияет на воспроизводимость их электрофизических характеристик как от образца к образцу, так и в мелкосерийной партии |
Основными достоинства разработанного SmS газоанализатора являются:
- Портативность средств измерений
- Простота замены сенсорных модулей
- Существенное облегчение процедуры сервисного обслуживания
- Возможность мониторинга качества атмосферного воздуха
- Универсализация системы градуировки средств измерения на уровне, совместимом с международными стандартами
- Миниатюрность габаритных размеров сенсоров, изготовленных на основе тонких пленок SmS, делает их весьма привлекательными по стоимостным характеристикам для серийного и мелкосерийного производства.
Ниже представлена сравнительная таблица, в которой продемонстрировано превосходство SmS, выступающего в качестве активного материала в сенсоре, над другими материалами.
Активный материал сенсора | Определяемый газ | Рабочая температура сенсора, оС |
Чувствительность, об. % |
SnO2
|
CO, CH4, C2H5OH, H2, NH3
|
100 - 150 | 5*10-4 – 5*10-2 |
ZnO
|
NO2; О3, CO, CH4, C2H5OH, H2, O2
|
150 - 400 | |
Ga2O3
|
CO, CH4 | 500 - 800 | |
WO3
|
NOx, O3 | 400 - 500 | |
WO3-Bi2O3
|
NO | 350 - 400 | |
GeO2
|
CH4 и H2 | 600 - 1000 | |
BaSnO2, (Ba, Sr)TiO2, CdS | NOx | 400 - 900 | |
SmS | O2 и др. | 140 - 160 | 10-4 - 10-5 |
Разрабатываемая нашей компанией технология существенно снижает стоимость газоанализаторов, а также уменьшает их габариты. Она позволяет значительно расширить области применения устройств. Таким образом, применение газоанализаторов станет возможным в:
- Нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности
Обнаружение утечек взрывоопасных газов при добыче и транспортировке нефтепродуктов.
- Горнодобывающей и угольной промышленности
Используются в качестве переносных и стационарных датчиков на метан, угарный газ и некоторые другие газы.
- Экологическом мониторинге
В этой области газоанализаторы данного типа применяются, как правило, для детектирования малых концентраций. Кроме того, возможно определение концентрации углекислого газа, но это более сложно. Атмосферный воздух состоит из многих компонент, поэтому проблемы с селективностью выходят на первый план. Посторонние газы могут вызывать неверную работу прибора. Некоторые газы, которые могут сильно влиять на показания: органические вещества и многие другие. Влажность тоже может сильно влиять на работу прибора за счет гидроксил иона.
- Жилищно-коммунальном хозяйстве
Обеспечение безопасности в жилых помещениях, где используется сжиженный газ.
- Медицине, биологии, хроматографии, в быту, в пищевой промышленности и ряде других областей.
Важно отметить, что благодаря малым габаритам разрабатываемый полупроводниковый газо-чувствительный элемент может быть успешно использован для обеспечения контроля качества продукции непосредственно в процессе ее производства (технологический контроль производственных процессов).