Chemické mikrosenzory plynov Ing. Soňa Flickyngerová PhD. & prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, Ph.D.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Chemické mikrosenzory plynov Ing. Soňa Flickyngerová PhD. & prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, Ph.D."

Břetislav Matějka
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Chemické mikrosenzory plynov Ing. Soňa Flickyngerová PhD. & prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, Ph.D. Slovenská technická univerzita v Bratislave Fakulta elektrotechniky a informatiky

2 Plynové elektronické senzory chemoelektrické javy v objeme, na povrchoch a rozhraniach tenkých vrstiev

3 TV v chemických senzoroch Chemoelektrické vlastnosti TV

4 Plynové senzory odporové, kapacitné, diódové a tranzistorové Využívajú dva fyzikálne javy: Klepnutím lze Zmena upravit polarizácie styly fixovaných Zmena koncentrácie pohyblivých nosičov nosičov

5 Odporové: objemové plošné (TV, hrubovrstvové) oxidové (ZnO, SnO 3 In 2 O 3 ) organické (polyméry) Citlivosť ľudského nosa CO, CO 2 0 H 2 S 0.14 ppm SO ppm Cl ppm NH 3 3 ppm NO 1 ppb - relaxácia hladkých svalov - viskozita, zrážanlivosť krvi

6 Odporové senzory Polovodivé oxidy kovov: SnO 2, In 2 O 3, ZnO, Fe 2 O 3, TiO 2 R Chemisorbcia O 2 na povrchu viaže e - Redukčné plyny reagujú s O 2 desorbcia R (H 2, H 2 S, C 3 H 6, CH 4, CO, NO, NO, AsH 3 ) Katalyzátory Pt, Pd, Ni, Pd Au R Desorbcia O 2 Fyzikálna sorbcia Chemisorbcia Povrchové Objemové defekty Τ [ C] SnO 2 sintrovaná vrstva TAGUCHI (TGS) senzor Na detekciu: reaktívne, horľavé a nebezpečné plyny Pt IDAE Al 2 O 3 substrát Pt ohrev Al 2 O 3 pasivácia

7 Odporové senzory Zvýšenie citlivosti: TV Pt, Pd Proces prieniku a disociácie kyslíka v Pd modifikovanom polovodivom MO Vyhrievací element TiN ( C) Systém na meranie teploty TiN, IDAE kontakty TiN citlivú vrstvu ZnO

8 Odporové senzory Chemiresistive gas sensor for NO detection

9 Ozónový senzor O 3 : 0.1 ppm/2 hod % kapacity pľúc 1 ppm/6 hod. bolenie hlavy, bronchitída 10 ppm Citlivosť na ozón je závislá na hrúbke In 2 O 3

10 Zlaté elektródy Al 2 O 3 substrát - vysoká tepelná vodivosť, vysoká životnosť tepelného namáhania, a vysokú mechanickú pevnosť.. Ozónový senzor Detekčná časť- ITO polovodič Element mm.

11 Oragnické odporové senzory P typu: phthalocyanin kovov Pb, Zn, Cu, Ni, Co, Fe Pracovná teplota C TV hrúbky ~ 1µm! Vysoká citlivosť!!! /R [Ω -1 ] 10-8 PbPc Molecular structure of the metallated phthalocyanines. CoPc CuPc ZnPc NiPc koncentrácia NO 2 vo vzduchu [ppb]

12 Senzory O 2 na báze objemových defektov Princíp: vysoká teplota p O2 n koncentrácia bodových nábojov TR G ~ p 02m. Exp [-Ea/kT] m = -¼ -+¼ SrTiO3, BaTiO3, TiO2 polovodivé oxidy, perovskite štruktúra its name to the class of compounds which have the same type of crystal structure as CaTiO 3 ( XII A 2+VII B 4+ X 2 3)

13 Lambda senzor 1.0 λ senzor Efektívna zóna U R, p 0 Spalovanie v automobilových motoroch Optimálny pomer hmotností Vzduch : Palivo (O 2, N 2, H 2 O) (CH x ) A : F Spaľovanie. CH x + yo 2 + 3,76yN 2 λ = A: F ( A: F ) ST : Ochudobnená: < > Obohatená: < > skráti dĺžku vstreku λ minimum CO, CH x, NO x Lambda 0.97 A/F: 14.3/1 1 Lambda 1.00 A/F: 14.7/1 CO 2 + ½x H 2 O +3,76yN 2 +NO x +CO + CH x Lambda 1.03 A/F: 15.1/1

14 Potenciometrický ZrO 2 T ~ C Klepnutím t ~ 100ms lze upravit styly p02 U EMS T.ln ; Kde je λ < 1 (bohatá zmes), U = 0,7 1,0 V λ > 1 (chudobná zmes),u = 0,1 0,2 V p 02

15 Kalorimetrický senzor (λ sonda) Jedná se v podstatě o jistý druh kalorimetrického senzoru, kdy koncentrace plynu je měřena na základě množství tepla uvolněného při řízené spalovací reakci. Reakce je podporována předlohy vhodnou teplotou textu. a přítomností katalyzátoru. Poněvadž ke spalovací reakci dochází na čidle s katalyticky účinným povrchem, nazývá se tato měřicí metoda metodou katalytického spalování.

16 Tranzistorové senzory MOSFET senzory Princíp MOS tranzistora riadeného elektrickým poľom FET (MOSFET) je v tom, že napätím na hradle (elektrickým poľom) sa reguluje veľkosť kanálu pod ním a tým aj prietok prúdu medzi emitorom a kolektorom H U H K E U EK I K Napr. obohacovací MOS tranzistor s kanálom typu p (p-mosfet) potrebuje prekročiť určité prahové napätie U H0, aby sa kanál otvoril pri ďalšom zvyšovaní napätia U H, kolektorový prúd I K rastie kvadraticky Princíp MOSFETu pôsobenie vonkajšieho podnetu na hradlo - sa využíva napr. v mikrosenzoroch plynov (GASFET), iónovo selektívnych elektrochemických sondách (IS FET), biokatalytických (enzýmových) senzoroch (ENFET), akustických senzoroch (kapacitný FET mikrofón)

17 MOSFET plynový senzor

18 Cross sectional view (modified from [99]) of a basic MOS-Schottky diode, MOS-transistor and MOScapacitor sensor. The dipole layer formed by hydrogen adsorption at the metal/oxide interface creates a voltage change which can be measured by a shift in (a) the current voltage curve of a diode or transistor or (b) the capacitance voltage curve of a capacitor.

19 Senzory založené na sledování změny odporu, resp. elektrické vodivosti, patří mezi nejjednodušší, čímž jsou Příklad nejjednoduššího provedení odporového nanovodičového chemického senzoru plynů. nejvhodnější pro komerční výrobu. Podobně jsou na tom i provedení jako FET tranzistor. U nich je nanovodič implementován na SiO 2 / Si substrát doplněný elektrodami Source a Drain nad nanovodičem. Křemíkový substrát zde funguje jako elektroda hradla, když je senzor provozován jako FET tranzistor. Ke zvýšení citlivosti a detekci inertních plynů doplňují MEMS vyhřívanými ploškami, např. v podobě SiN membrány a jednoho nanovodiče. Cik-cak tvarovaná vyhřívaná plošina slouží k řízení teploty, čímž může být zvýšena citlivost senzoru, např. u senzoru ethanolu až na úroveň 1 ppm.

20 Senzory vlhkosti Relatívna vlhkosť (RH, z angl. Relative Humidity). Definuje sa ako pomer medzi skutočným tlakom pary (p) a tlakom pary pri nasýtení pri tej istej teplote (p s ).. RH = p p s T.100% Rosný bod je teplota, pri ktorej vzduch pri konštantnom barometrickom tlaku už nie je schopný udržať vodnú paru a časť z nej skondenzuje do kvapalného skupenstva. Tento rosný bod sa takisto nazýva atmosferický rosný bod. V prípade, ak rosný bod dosiahne hodnotu teploty vzduchu, relatívna vlhkosť je 100%. Parts per million (ppm) látka. Model molekuly vody Väzbový uhol je 104,4. Keďže väzba O H je v molekule vody veľmi polárna a molekula je zalomená (má trojuholníkový tvar), voda je silne polárna Atómy v molekule vody sú viazané jednoduchou polárnou kovalentnou väzbou

21 Senzory vlhkosti H 2 O ale i CO 2, NO 2, SO 2, CH 4 Dielektriká zmena kapacity (polarizovateľnosť) vodivosti předlohy plošného odporu textu. SnO Anorganické (Al 2 O 3, SiO 2, polovodivé oxidy A=Ba, Ca, A 3 ) TiO Polyméry (polyetylénoxid, polyfenylaceylén) 3 MOSFET používajú sa ako hradlový oxid, resp. hradlo Capacitance ( ) and resistance ( ) response of the -Al 2 O 3 sensor to relative humidity at 11 C, 25 C, and 40 C.

23 Vodivostný senzor vlhkosti

24 Kapacitné senzory vlhkosti Capacitive RH sensors consist of a ceramic substrate on which a thin film of polymer is deposited between two conductive electrodes. Kapacita senzora závisí od relatívnej permitivity dielektrika. The sensing surface is coated with a micropourous metal electrode, allowing the polymer to absorb moisture while protecting it from contamination and exposure to condensation. As the polymer absorbs water, the dielectric constant changes incrementally and is nearly directly proportional to the relative humidity of the surrounding environment. Thus, by monitoring the change in capacitance, relative humidity can be derived.

25 Senzory ph Hodnota ph je definovaná ako záporný dekadický logaritmus aktivity oxóniových katiónov. V zriedených vodných roztokoch sa dá hodnota aktivity aproximovať hodnotou látkovej koncentrácie a potom platí: kde je relatívna koncentrácia vodíkových katiónov (bezrozmerné)

27 Ďakujeme Vám za Vašu pozornosť.

Podobné dokumenty

RNDr. Daniela Kravecová, PhD. Premonštrátske gymnázium, Kováčska 28, Košice

Redoxné reakcie RNDr. Daniela Kravecová, PhD. Premonštrátske gymnázium, Kováčska 28, Košice Redoxné reakcie Redoxné reakcie sú chemické reakcie, pri ktorých dochádza k zmene oxidačného čísla atómov alebo