34. Сенсоры на основе твердых электролитов. Область применения, принцип работы.

Сенсоры на основе твердых электролитов (ионных проводников) в основном приме­няются для газового анализа и предназначены для определения тех газов, чьи ионы при диссоциации обусловливают проводимость этих проводников.

Принцип работы сенсоров состоит в том, что поступающий газ диффундирует через пористый рабочий электрод к границе раздела электрод -твердый электролит, где происходит его диссоциация с образованием ионов, которые под действием электрического поля диффундируют через чувствительный элемент сенсора к другому электроду.

Широкое распространение, например, получили сенсорные датчики кислорода на основе керамики Zr0₂-Y₂0₃ (рис. 4.16). Со стороны катода, выполненного либо перфорированным, либо в виде растровой системы, происходит сорбция молекул кислорода, которые диссоциируют с образованием заряженных ионов. Ионы кислорода под действием электрического поля диффундируют через чувствительный элемент к катоду, где разряжаются с образованием молекулярного кислорода. Таким образом, ток в измерительной цепи пропорционален содержанию кислорода в исследуемой атмосфере. Поскольку подвижность ионов обычно достаточно низка, для ее увеличения чувствительные элементы сенсоров нагревают до относительно высоких рабочих температур (750-1100°С).

Для газового анализа применяются сенсоры на ионных проводни­ках различных конструкций, в том числе и работающие при комнатной температуре. Например, четырехэлектродный сенсор Н₂, СО и NH₃ с чувствительным элементом из протонного проводника Sb₂0₅ • 2Н₂0. В окрестности внешних электродов из платиновой черни, между кото­рыми пропускают ток, расположены дополнительные электроды из серебра. Между ними измеряется падение напряжения. Газ диффундирует в твердый электролит через внешние электроды, и падение напряжения между внутренними электродами такого сенсора линейно зависит от концентрации газа.

В настоящее время с использованием возможностей микроэлектроники изготавливаются датчики с микронасосами, в роли которых выступают твердые электролиты. В качестве чувствительных элементов применяют: (β-PbF₂ (Н₂, NH₃); AgCl (С1₂); К₂С0₃ (С0₂) и др.

35. Тепловые сенсоры. Область применения, принцип работы.

Принцип действия тепловых сенсоров основан на регистрации изменения теплофизических характеристик чувствительного элемента в результате внешнего воздействия (например, хим. реакции). Среди тепловых сенсоров наибольшее распространение получили пироэлектрические и термокаталитические.

Пироэлектрические сенсоры. Пироэлектричество - явление возникновения поверхностного заряда у некоторых кристаллов при применении к ним внешнего теплового воздействия вдоль соответствующих кристаллографических направлений. Тепловое воздействие на кристалл вызывает изменение его температуры, которое приводит к перемещению ионов в решетке, в результате чего образуется поверхно­стный заряд - положительный на одной стороне кристалла и отрицательный на другой: Ток, возникающий в результате изменения температуры во времени, соответствует тепловому потоку. Таким образом, скорость изменения средней температуры пироэлектрической структуры определяет величину возникающего на кристалле заряда и, если пироэлектрический коэффициент мало зависит от температуры, пироэлектрический элемент можно использовать для контроля потока тепловой энергии.

Пироэлектрические сенсоры, по сути, являются микрокалориметрами. В качестве выходного сигнала в таких датчиках используют изменение напряжения или изменение тока между электродами, а в каче­стве пироэлектрического чувствительного элемента чаще всего применяют LiTi0₃, поскольку он обладает пироэлектрическим коэффициентом, достаточно постоянным в широком диапазоне температур.

Рассмотрим схему дифференциального пироэлектрического микрокалориметра, работающего в динамическом режиме (рис. 4.17). Нагревательный электрод используется для введения в систему регулируемого количества тепла, что приводит к линейному изменению температуры датчика с некоторой постоянной скоростью.

Один из электродов датчика покрывается катализатором или выполняется из каталитически активного металла (Pt, Pd, Ni) для протекания реакции окисления (или термодесорбции) детектируемых газов, в результате которой выделяется или поглощается некоторое количество тепла, что приводит к изменению выходного сигнала. Дифференциальный сигнал (рис. 4.18) (зависимость сигнала сенсора от времени при линейном нагреве) содержит всплески, каждый из которых соответствует какой-либо реакции, протекающей на катализаторе при определенной температуре.

Рис. 4.17. Схема пироэлектрического сенсора (а) и функция сигнала пироэлектрического элемента от температуры (б)

Рис. 4.18.

Термокаталитические сенсоры. Термокаталитические сенсоры работают на эффекте изменения электрофизических свойств чувствительного элемента в процессе нагрева за счет энергии, выделяющейся в результате каталитической реакции. В данном классе устройств наиболее распространенными являются пеллисторы, или моноэлектродные сенсоры (рис. 4.19), представляющие собой спираль из платиновой проволоки толщиной 5-25 мкм, покрытую слоем керамики А1₂0₃, поверх которой нанесен слой катализатора (Pd, Pt и т. д.). Принцип работы основан на тепловом эф­фекте каталитического окисления газа на поверхности катализатора, сопро­вождающемся изменением температуры сенсора и, следовательно, сопротивления платиновой спирали. Разновидностью таких сенсоров являются пеллисторы, в которых вместо изолирующего керамического покрытия используется полупроводниковое (Sn0₂.), шунтирующее витки спирали. В результате термоэффекта окисления при воздействии детектируемого газа уменьшается также его сопротивле­ние, что приводит к увеличению коэффициента шунтирования витков спирали. Применяются пеллисторы, как правило, в мостовых схемах в паре с сенсором сравнения, выполненным без катализатора

В качестве чувствительных элементов могут быть использованы материалы, электрофизические характеристики которых крайне чувствительны к малейшим изменениям температуры.

Кроме того, термокаталитические сенсоры методами микротехнологий изготавливаются на базе термопарных батарей, термочувствительных диодов и т. д.