Интегральный металлооксидный сенсор для измерения концентрации озона в атмосфере

 

В.Б.Уфимцев, А.Г.Яковенко, А.И.Бутурлин, А.Я.Дикевич (ИХПМ, МИЭТ)

 

Полупроводниковые металлооксидные газовые сенсоры, принцип действия которых основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников (ZnO, SnO2, In2O3 и др) в присутствии различных газов, находят широкое применение в газоаналитических приборах.

Разработанный авторами полупроводниковый металлооксидный сенсор выполнен на подложке из сапфира размером 0,2´0,5´2 мм. На одной стороне подложки расположен тонкопленочный платиновый нагреватель, а на другой - газочувствительный слой и электроды к нему. Выводы сенсора выполнены из платиновой проволоки Æ30 мкм. Сенсор крепится за проволочные выводы таким образом, что подложка находится в подвешенном состоянии и рассеивание тепла осуществляются за счет теплообмена с воздухом и с корпусом датчика через проволочные выводы.

Малая площадь поверхности сенсора и низкая теплопроводность платиновых выводов позволили значительно снизить потребляемую мощность, что очень важно при использовании сенсоров в автономных измерительных приборах.

Другими достоинствами описанной конструкции являются высокая технологичность (на одной подложке в едином технологическом цикле формируются несколько тысяч чувствительных элементов), широкий диапазон рабочих температур (до 600°С) и высокая устойчивость к механическим воздействиям вследствие малой массы чувствительного элемента.

Варьируя состав газочувствительного слоя и рабочую температуру можно управлять чувствительностью и селективностью сенсора к различным компонентам. На основе описанной конструкции были разработаны датчики углеводородов, гидридных газов (H2S, PH3, AsH3), этанола, водорода и др.

Перспективной разработкой является полупроводниковый металлооксидный сенсор озона, выполненный на основе In2O3.

На рис.1 показаны градуировочные характеристики сенсора озона при различных рабочих температурах. Отсюда видно, что эти характеристики в диапазоне концентраций выше 20 ppb близки к линейным в двойном логарифмическом масштабе, что соответствует «классическому» поведению металлооксидных полупроводниковых сенсоров.

Иная картина наблюдается на начальном участке градуировочной характеристики.

На рис.2 показана зависимость отношения сопротивления газочувствительного слоя сенсора при концентрации озона 50 и 0 ppb от рабочей температуры. Отсюда видно, что чувствительность сенсора при малых концентрациях озона резко возрастает при снижении рабочей температуры, достигая чрезвычайно высоких значений. Так, при рабочей температуре 250°С при концентрации озона равной предельно допустимой концентрации озона в воздухе (50 ppb) сопротивление сенсора увеличивается относительно сопротивления в отсутствии озона в 4 тысячи раз!.

Следует отметить, что естественная концентрация озона в воздухе испытывает суточные, сезонные и др. колебания в диапазоне от 10 до 30 ppb и эти колебания прекрасно регистрируются сенсором.

На рис.3 приведена зависимость постоянной времени сенсора от рабочей температуры. Постоянные времени переднего и заднего фронтов одинаковы.

На рис.4 приведена зависимость от рабочей температуры эквивалентных показаний сенсора озона в атмосфере кислорода. Эта зависимость косвенно иллюстрирует высокую селективность сенсора.

На основе описанного сенсора разработан ряд приборов для измерения концентрации озона в атмосфере, имеющих следующие характеристики:

- диапазон измерения концентрации озона от 0 до 2000 ppb;

- пороговая чувствительность - 0,1 ppb;

- постоянная времени - не более 20 с.

вверх