senzori chimci

5/12/2018 Senzori chimci - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/senzori-chimci 1/16

SENZORI CHIMICIStudent:

BNCUi (Gheboianu) Anca Irina

Senzori èi traductori pentru studiul mediului

Facultatea de

gtiinì e èi ArteMaster

anul II



SENZORUL este: ³un dispozitiv care rspunde la stimuli fizici sau chimici(de exemplu: cldur, lumin, sunet, presiune, magnetism etc) itransmite un impuls rezultat de obicei sub form electric´. Astfel, unsenzor poate detecta un semnal sau o energie iniial i le convertete(transform) într-un semnal sau o energie de ieire.

CARACTERISTICILE PRINCIPALE ale senzorilor pot fi definite prinurmtorii parametrii:- domeniul de utilizare,- rezoluia (sensibilitatea - cel mai mic increment msurabil al

stimulului),- frecvena maxim a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea),

- acurateea (eroarea de msurare raportat, în procente, la întreagascal),- dimensiunile i masa senzorului,- temperatura de operare i condiiile de mediu,- durata de via (în ore sau numr de cicluri de operare),- stabilitatea pe termen lung

- costul.

DESPRE SENZORI



1. senzori acustici ± determin amplitudinea undei, faza, polarizarea,spectrul, viteza undei etc;

2. senzori biologici ± determin biomasa (identitatea, concentraia, stareaetc);

3. senzori chimici ± determin componena (identitatea, concentraia, stareaetc);

4. senzori electrici ± determin curentul, potenialul i diferena de potenial,câmpul electric (amplitudinea, faza, polarizarea, spectrul), conductivitatea,permitivitatea etc;

5. senzori magnetici ± determin câmpul magnetic (amplitudinea, faza,polarizarea, spectrul), fluxul magnetic, permeabilitatea etc;

6. senzori mecanici ± determin poziia (linear, unghiular), viteza,acceleraia, fora, presiunea, tensiunea mecanic, masa, densitatea,

viteza, rata de transport a masei, orientarea, vâscozitatea, cristalinitatea,structura integr etc;7. senzori optici ± determin amplitudinea undei luminoase, faza,

polarizarea, spectrul, viteza etc;8. senzori de radiaie ± determin tipul de radiaie, energia, intensitatea etc ;9. senzori termici ± determin temperatura, fluxul de cldur, cldura

specific, conductivitatea termic etc.

CLASIFICAREA SENZORILOR



SENZORI CHIMICI

Senzorii chimici se utilizeaz pe scar larg în laboratoare de chimie, înclinicile medicale în procesele industriale, în alimentaì ie public, în controlulgradului de poluare al mediului înconjurtor.

Voi prezenta detecia gazelor combustibile (inflamabile) cum ar fi CO, H2,alcooli, propan i alte hidrocarburi. Detecia unor gaze în aer cu senzori

semiconductori, s-a fcut iniì ial cu senzori cu oxizi metalici (MOS), apoi, înurma studiilor, s-au utilizat tranzistoarele cu efect de câmp (field effecttransistors ± FET) pentru detecia hidrogenului.

Î n cazul MOS (de exemplu SnO2) o reacie chimic între O i gazulinflamabil ce are loc la suprafaa solidului produce o variaie a rezistivitii

solidului. Î n cazul FET-urilor aciunea chimic a gazului de detectat are locpe poart determinând o variaie a potenialului (MOS-FET). Deoarecesenzorul este un MOS - FET modificat, acesta conine i un amplificator care conduce la o senzitivitate mare. Senzorii FET au fost folosii pentrudetecia ionilor i pentru biosenzori.

Operaia senzorului MOS se bazeaz pe scderea rezistenei stratului deSnO2 dac un gaz combustibil este prezent în atmosfera ambiant.



SENZORI CHIMICI

Pentru a înelege modul de operare al senzorilor chimici bazai pesemiconductori trebuie s examinm mai în detaliu cum afecteaz gazeleadsorbante rezistena senzorului, cum afecteaz extracia de oxigenrezistena senzorului, cum interacioneaz gazul combustibil cu oxigenuladsorbit, cum influeneaz catalizatorul reacia oxigen/gaz, cuminflueneaz adsorbia sau absorbia gazelor voltajul porii unui FET i înfinal, cum toate aceste procese chimice i fizice pot fi controlate pentru acrea un senzor de gaz util.



Modelul de band pentru suprafaa unui semiconductor de tip n cu O2-adsorbit la echilibru, unde un strat dublu a determinat acele schimbri aleenergiei Fermi la suprafa într-o poziie unde raportul O2

- /O2 este descrisde energia Fermi.

Suprafa cu dou straturi

Datorit funciei de distribuie Fermi, energia Fermi la echilibru nu va fideparte de nivelul de energie al strii de suprafa. Ca i în absorbiaoxigenului, stratul electric dublu format în semiconductorul de tip n are unstrat încrcat negativ ce adsoarbe oxigenul, iar cel pozitiv este donor.Oxigenul este adsorbit la o valoare de echilibru la fel ca energia niveluluide oxigen care este lâng energia Fermi. Deoarece concentraia

oxigenului adsorbit fizic, în principiu, este constant dac temperatura ipresiunea oxigenului sunt constante.

Analiza absorbiei oxigenului



Adsorbia în interiorul strilor desuprafa

O posibilitate pentru a descrie prezena oxigenului pe suprafaasemiconductorului este cazul adsorbiei în interiorul strilor de suprafa.Ca un exemplu putem aminti galiu ± arsen i oxidul de crom. Î n cazulGaAs, oxigenul adsorbit interacioneaz cu As la suprafa. Am puteaafirma c va lua natere o form de arsenit, dar structura i stoechiometria

sunt greite. Efectiv, chemoabsorbia oxigenului elibereaz electroni lasuprafaa arsenului într-o proporie de 1/1 cu As/O2. Aceast activare aoxigenului nu prezint interes pentru un senzor, sigur nu în aer, pentru c în aer GaAs oxideaz lent în tri-oxid de galiu i oxid de arsen .

Un alt exemplu este oxidul de crom deoarece suprafaa cromului arelegturi slabe i poate forma legturi care s adsoarb oxigenul rezultândgrupri Cr 4+-O- sau Cr 4+-O2

-. Materialul este interesant deoarece oxigenul

din reea nu este implicat în arderea gazelor combustibile i, deci unsenzor de gaz combustibil poate fi mai stabil decât un senzor reductor.



Interaciunea gazelor combustibile cuoxigenul

Etapele chimice implicate în oxidarea gazelor combustibile (cum estemonoxidul de carbon sau hidrogenul) ce adsorb oxigenul pot fi foartecomplexe. S-a demonstrat c O- este mult mai activ decât O2

- . Oricum,nu putem afirma c O2

- este inactiv deoarece acesta este activ înoxidarea oxid-etilenei într-un catalizator argintiu.

Cele trei reacii care au loc sunt urmtoarele :

e- + O2 => O2-e- + O2

- => 2O-

R + O- RO + e-

unde R = agent reductor.



Oxid cu mobilitate mare

Dac concentraia defectelor de volum este controlat de atmosferaambiant i rspunde rapid la schimbrile din atmosfer devinenecesar aplicarea dispozitivului ca senzor cu pelicul subire obinutprin procesul de evaporare.

Singurul exemplu din literatur de senzor de temperatur joas(350ºC) bazat pe acest principiu este bismut ± molibden. Acest materiala fost studiat exclusiv ca un catalizator de oxidare parial i a fostdescris deplasarea rapid a vacanelor de oxigen dup ce materialulatinge temperatura de 300ºC. Deoarece vacanele de oxigen suntdonoare, rezistena peliculei rspunde rapid la extracia ionilor de oxid.

Senzori cu pelicule subiri



Oxid cu mobilitate mare

Dac mobilitatea defectelor este mare este posibil ca legturile dintregranule s nu influeneze prea mult rezistena. Pentru materialele cu omobilitate mare, orice schimbare în legaturi contribuie la schimbareadefectelor ionizate mobile. Tunelarea complet a barierei înguste (subiri)nu contribuie la rezistena peliculei. O pelicul obinut prin procesul deevaporare este considerat ca fiind un cristal subire în care variaiaconductanei se datoreaz variaiei concentraiei de goluri.

Studiul bismut ± molibdenului ca senzor a descoperit o stabilitate dorit. Acest senzor este sensibil la alcooli i aldehide i foarte sensibil la

alchene i alcani. Dioxidul de titan la temperatur mare este folosit pentru msurarea ratei A/F (aer/combustibil) la automobile.



Senzori cu pelicule groase i pastile

presate Senzorii semiconductori cu oxid urmresc obinerea unei conductaneadecvate i o sensibilitate ridicat deoarece rezistena de contact dominconductana. Rezistenele de contact sunt de natur instabil ineproductibil.

Cel mai studiat oxid semiconductor este dioxidul de staniu îns au fost

obinute rezultate bune i cu oxid de fier. Dioxidul de titan a fost utilizatcomercial ca senzor cu pelicul, dar la o temperatur la care mobilitateadefectelor este mare.

Cel mai popular catalizator este paladiul deoarece este instabil în prezenaoxigenului la o temperatur de interes (350 ± 400ºC). Temperatura deoperare este aleas empiric astfel încât s se obin o sensibilitate marefa de gazul combustibil. Aadar, sensibilitatea este mic atunci când

temperatura este joas deoarece activitatea catalitic este minim.Sensibilitatea este mic la temperatur mare deoarece gazul combustibilarde la suprafaa peliculelor groase sau a pastilei presate.



Senzori cu pelicule groase i pastilepresate

O form de senzor cu pelicul groaseste senzorul comercial ÄTaguchi´.Electrozii de aur sunt depozitai într-un tubceramic mic. O past semiconductoareeste aplicat pe exteriorul tubului. Pasta

este preparat într-o serie de etape. Aceast past are o compoziie foartecomplex i o structur calcinat. Unelement pasteurizator din centrul tubuluimenine oxidul la temperatura optim deoperare.

Adaugare aluminiu praf

Formare pasta

Adaugare apa

Macinare

Calcinare

Adaugare clorura de paladiu

Calcinare

Hidratare

Precipitat

Hidroxid de amoniu Clorura de staniu

Amestec

Etapele prepararii pastei de SnO2 utilizat ca pelicul



Senzori cu pelicule groase i pastilepresate

Semiconductorii cu oxid metalic care au fost testai pentru a fi utilizai însenzori sunt: WO3, Fe2O3, LaCrO3, CaO, TiO2, NiO, Nb2O5 i In2O3.

Aditivii pentru catalizatori / acceleratori includ muli oxizi printre careoxizii metalelor de tranziie, oxizii grupei a doua i ai litiului.

Semiconductori ca siliciul i germaniul sau sulfuri nu sunt folosii în aer deoarece se oxideaz la temperatur normal. Materialelecatalizatoare trebuie s aib aceeai stabilitate în aer ca isemiconductorul senzorului.

Natura senzorului conduce la sensibilitate pentru toate gazelecombustibile. Un catalizator cum este paladiul va cataliza oxidarea CO,H2 i a tuturor moleculelor organice, iar reacia se va reflecta în variaiaconductivitii din suportul semiconductor.

Pentru a induce o selectivitate, avem câiva parametrii disponibili:catalizatorul, acceleratorul, temperatura i, probabil, filtre carerestricioneaz prezena unor gaze pe senzor. Chiar i mrimeaparticulelor de oxid metalic din senzor pot afecta selectivitatea.



Senzori cu pelicule groase ipastile presate

O cale de selecie a deteciei de gaz este aceea de a furniza o matrice asenzorilor, fiecare cu un spectru diferit rezultat pentru diferite gaze.

De exemplu, un senzor poate fi ales s varieze rezistena cu un factor de 2

la 10 ppm de hidrogen i cu un factor de 4 la 100 ppm de monoxid decarbon.

Un alt senzor în aceast matrice mic poate fi ales astfel încât s schimberezistena cu un factor de 4 la 100 ppm de hidrogen i cu un factor de 2 la100 ppm de monoxid de carbon.

Msurtorile amestecului de H2 i CO cu doi senzori furnizeaz analizelecomplete. O astfel de matrice a senzorilor Taguchi a fost folosit pentru adeosebi tipurile de cafea i în monitorizarea polurii aerului.

Senzorii semiconductori cu oxid metalic sunt dorii datorit costului sczut, alsensibilitii ridicate i al formei de rspuns (prin simpla variaie a

rezistenei).



Bibliografie

Simon M. SZE, ³Semiconductor sensor´, Hardcover, Publisher: Wiley-Interscience, New York, 1994

http://www.cnaa.acad.md/thesis/1694/

www.icmpp.ro/institute/cap_fruth.doc http://users.utcluj.ro/~mbirlea/z/01z.htm

http://www.eed.usv.ro/~iulianc/lucrari/st/Terminologia%20senzorilor.pdf



V mulì umesc pentru atenì ie!

senzori chimci

Documents