Структура и принцип действия

Металлооксидные газовые датчики служат для измерения концентрации газа, присутствующей в окружающей среде датчика. Работа металлооксидного датчика основана на анализе сопротивления или проводимости металлооксидного слоя (МОС), предусмотренного на подложке, которая выполнена с возможностью нагрева. Обычно такие металлооксидные датчики нагреваются непрерывно. Поэтому металлооксидные датчики невозможно использовать в работающих на батарее системах, батарея которых имеет лишь малую емкость. Металооксиидные сенсоры имеют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность, необходимую для нагрева (менее 150 мВт). Выходным аналитическим сигналом резистивного сенсора служит либо величина сопротивления чувствительного слоя, либо аналоговый сигнал по напряжению.

В зависимости от типа детектируемой примеси (доноры или акцепторы электронов) и типа проводимости полупроводника (nили p-тип) сопротивление чувствительного слоя сенсора увеличивается или уменьшается. При адсорбции акцепторных частиц (О₂) на поверхности полупроводника с проводимостью n-типа (ZnO) сопротивление чувствительного слоя увеличивается (акцепторный сигнал), а при адсорбции донорных частиц (H₂) — уменьшается (донорный сигнал); для полупроводников с p-типом проводимости (NiO) — зависимость обратная. Полупроводниковый сенсор представляет собой небольшую изолирующую подложку (3Ч3 мм² или меньше), на которой расположены измерительные электроды и нагреватель. Нагреватель необходим, поскольку процессы, протекающие на поверхности полупроводника при хемосорбции газов, зависят от температуры. Поверх измерительных электродов наносится чувствительный слой. Разработаны различные конструкции сенсоров: чувствительный слой и нагреватель сенсора могут находиться на одной или на разных сторонах подложки. В качестве материала нагревателя и измерительных электродов предпочтительно использовать платину или золото, для работы с неагрессивными газами применяют и другие металлы, а также сплав NiCr.

Характеристики сенсора определяются материалом чувствительного слоя — химическим составом и кристаллической структурой, а также зависят от свойств всех составляющих элементов сенсора — материала подложки, материала и геометрии нагревателя и измерительных электродов, конструкции сенсора. В чувствительном слое резистивного полупроводникового сенсора при воздействии газовой примеси протекает совокупность взаимосвязанных процессов: электронные процессы, поверхностная и объемная диффузия адсорбированных частиц, перенос носителей заряда между зернами поликристаллических образцов. Соответственно описание отклика полупроводникового газового сенсора проводят на основе теорий, устанавливающих взаимосвязь между молекулярными и электронными процессами на поверхности полупроводника, преимущественно по электронной теории хемосорбции. В моделях, описывающих сигнал сенсора, функционирующего в воздушной среде, учитывают присутствие на поверхности сенсора адсорбированного кислорода. Процесс переноса заряда между зернами кристаллитов рассчитывают в рамках теории перколяции, модели поверхностных ловушек и барьерной проводимости; для описания диффузии в чувствительном слое используют подходы, развитые в гетерогенном катализе. Диффузию адсорбированных частиц и перенос заряда между кристаллитами рассматривают в связи с кристаллической структурой и морфологией чувствительного слоя. Несмотря на интенсивные исследования, разработка в настоящее время сенсоров с заданными характеристиками в целом не представляется возможной; решены только отдельные вопросы относительно связи между условиями приготовления сенсоров и их характеристиками. Проблема создания сенсоров ставит задачи моделирования сигнала сенсора в зависимости от параметров чувствительного слоя и получения в контролируемых условиях чувствительных слое с требуемыми параметрами.

За последние годы интенсивного исследования полупроводниковых оксидных химических сенсоров был получен большой теоритический и экспериментальный материал. Не смотря на описанные недостатки данного вида газоанализаторов, для дальнейшего прогресса в этой области науки и техники необходимо расширить круг материалов и по-новому подойти к решению технических проблем химических сенсоров на основе оксидов металлов. С этой целью, а именно для повышения чувствительности и быстродействия, интенсивно ведутся исследования нанокристаллических плёнок полупроводниковых оксидов.