Пироэлектрические сенсоры

Тепловые сенсоры

Сенсоры на основе МДП-структур

МДП-структуры металлический затвор которых выполнен из каталитически активных переходных металлов (платина, никель, палладий) изменяют свои характеристики под действием содержащихся в атмосфере газов. МДП – металл, диэлектрик, полупроводник.

Существует несколько модификаций сенсоров на МДП-структурах. Для увеличения адсорбционной чувствительности применяют модифицированные МДП-структуры.

В палладиевом затворе создаются поры диаметром 1.5-2 мкм наличие которых облегчает доступ газообразных частиц к диэлектрику, а так же увеличивает сорбционную поверхность. Перфорированный затвор выполняет роль катализатора, который усиливает ионную диссоциацию ионных газовых частиц.

Для увеличения селективности на поверхность металла наносят слой специальных веществ.

В качестве диэлектрика у сенсоров на базе МДП-структур может использоваться воздушный зазор, попадая в воздушный зазор между полупроводником и затвором исследуемый газ изменяет диэлектрическую проницаемость воздуха в зазоре, а так же при сорбции на поверхности полупроводника формирует дипольный слой, что приводит к изменению напряжения транзистора.

В другом варианте газового датчика с зазором применяют перфорированный сетчатый металлический затвор.

На слой диэлектриков 1 наносят металлический подслой 2 толщиной требуемого воздушного зазора, на подслой наносится металлический затвор 3 (платина) на котором создаются поры после чего вытравливают участок подслоя над канало между стоком и истоком.

Для повышения чувствительности перфорированный затвор покрывают адсорбционным покрытием 4. В этом случае анализируемый газ проникает в полость под затвором и взаимодействуют с его внутренней поверхностью, так же как и с внешней, и боковой покрытых чувствительным слоем.

Проблемы селективности решают так же использованием электронных носов, представляющих собой матрицу полупроводниковых сенсоров имеющих различную чувствительность к различным газовым компонентам.

Принцип действия ТС основан на регистрации изменения тепло-физических характеристик чувствительного элемента в результате внешнего воздействия. Среди ТС наибольшее распространение получили пироэлектрические и термокаталитические

Пироэлектричество – явление возникновения нового заряда у некоторых кристаллов при применении к ним внешнего теплового воздействия вдоль соответствующих кристаллических направлений.

Тепловое воздействие на кристалл вызывает изменение его температуры, которое приводит к перемещению ионов в решётке, в результате чего образуется новый заряд положительный на одной стороне кристалла и отрицательный на другой.

Скорость изменения средней температуры пироэлектрической структуры определяет величину возникающего на кристалле заряда.

ПС являются микроколориметрами в качестве выходного сигнала в таких датчиках используют изменение напряжения или изменения тока между электродами, а в качестве чувствительного элемента чаще применяют LiTiO₃.

Схема пироэлектрического сенсора.

Нагревательный электрод используется для введения в систему регулирующего количества тепла, что приводит к линейному изменению температуры датчика с постоянной скоростью. Один из элементов датчика покрывается катализатором или выполняется из каталитически активного металла (Pt, Ni). Для протекания реакция окисления детектируемых газов в результате которой выделяется или поглощается некоторое количество тепла, что приводит к изменению выходного сигнала.

Форма сигнала сенсора

Каждый пик соответствует какой-либо реакции, протекающей на катализаторе при определённой температуре. Чувствительность по водороду таких сенсоров составляет 10^-9%.