Чувствительность сенсорного устройства

Чувствительностью сенсора называется его способность контролировать изменение концентрации определенного газа в газовой смеси. (Ra - сопротивление пленки на воздухе, Rg- сопротивлениев атмосфере исследуемого газа).

П/пр газовые сенсоры преобразуют концентрацию газа в окружающей атмосфере в сопротивление полупроводника. R_s = AC^–α, где Rs – электрическое сопротивление датчика; С – концентрация газа; A, α – константы, определяющие форму зависимости.

Возможны два мехнизмагазочувствительности полупроводников: объёмная газочувствительность и поверхностная. Объёмная газочувствительность связана с генерацией вакансий кислорода на поверхности полупроводника и диффузией их в объём. Сенсоры на основе тонких пленок диоксида олова относятся к сенсорам с поверхностной газочувствительностью.

Влияние температуры на чувствительность сенсора

При увеличении температуры нагревания сенсора чувствительность сенсора возрастает. (при нагреве увеличивается концентрация электронов проводимости. При легировании (Au) будут создаваться доп. примесные уровни в запрещенной зоне п/пр вблизи ЗП и увеличиваться вероятность заполнения этой зоны электронами.)

Влияние размера кристаллитов на чувствительность сенсора

Увеличение газочувствительности при уменьшении размера зерна (длина Дебая становится сравнима с размером зерна. Таким образом, высокую чувствительность можно получить либо уменьшением размера зерен, либо увеличением длины Дебая, изменяя уровень легирования слоя)

Быстродействие

Быстродействие - характеризуется временем отклика (временной интервал, за который фиксируемая величина изменяется до 0.9 от максимального значения)и временем восстановления (промежуток времени, в течение которого измеряемый параметр восстанавливается до 0.1 от максимальной величины).

Конструкция

1-подложка; 2-контакты; 3-чувствит. слой; 4-нагреват. элемент; 5-вторичный прибор; 6-источник напряжения.

Характеристики TGS-датчиков

• При понижении парциального давления кислорода сопротивление датчика уменьшается.

• зависимость R(C) носит экспоненциальный характер

• рабочая температура сенсора на основе наноструктуры SnO₂ составляет 250 - 500 ^оС.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КАТОДОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП.

1. Основные характеристики термокатодов.

2. Вольтамперные характеристики полупроводниковых термокатодов в стационарном и импульсном режиме работы

3. Требования, предъявляемые к материалам для термокатодов.

Основные параметры термоэлектронных катодов (термокатодов):

1. Работа выхода электронов из материала катода: А,эВ. Чем меньше работа выхода, тем больше эмиссия в соответствии с формулой Ричердсона-Дешмана.

2. Удельный ток эмиссии:

[ ]

Где – ток эмиссии, - излучающая поверхность катода

3. Удельная мощность накала

[ ]

Где p_н – удельная мощность, мощность на квадратный сантиметр. Р_н – номинальная мощность

… показывает мощность накала, приходящуюся на 1 см² излучающей поверхности катода.

4. Рабочая (нормальная) температура: Т_к, К

5. Экономичность (эффективность) катода

[ ]

Показывает, как ток эмиссии можно получить от катода на каждый ватт мощности, затраченной на его разогрев.

6. Долговечность катода (Д) – время в часах, в течение которого экономичность сохраняет значение до 80% от номинального значения при нормальных условиях эксплуатации.

Термоэлектронные катоды классифицируют:

а) по материалу;

б) по состоянию микроструктуры эмитирующей поверхности;

в) по способу нагрева в период эксплуатации

По материалу ТЭ катоды разделяются на две подгруппы:

1. Чисто металлические, изготовленные из тугоплавких металлов;

2. Пленочные, у которых на поверхность основного металла (керна) нанесен моноатомный слой электроположительного вещества.

К данной подгруппе относятся оксидные (полупроводниковые) катоды. Но у таких катодов (в отличие от пленочных) на поверхность металла наносят не моноатомную пленку, а толстый слой полупроводникого эмиссионно-активного вещества.

Под электронной лампой понимается устройство с анодом и катодом. Анод – коллектор, катод – эмиттер. П/п катоды работают на явлении внешнего фотоэффекта

Термокатод - катод электровакуумных и газоразрядных приборов, эмитирующий электроны при нагревании.

Это устройства, с помощью которых можно преобразовывать энергию электрического поля в тепловую энергию, и наоборот – тепловую в электрическую. Эти преобразования основаны на эффектах Зеебека и Пельтье.

Металлические катоды

Наиболее распространенные среди металлических катодов – катоды из вольфрама. Является технологичным материалом, поддается обработке давлением, волочению и ковке. Из него можно изготавливать проволоки с диаметром от сотых долей мм до 3 мм. Рабочая температура – 2400-2700^оК, температура плавления вольфрама – 3600^оК. Работать выше 2700^оК нецелесообразно, потому что срок службы катода сокращается, и это приводит к интенсивному испарение вольфрама.

Достоинства: при его рабочей температуре ни одна пакость на нем не садится (не адсорбируется). Поэтому, вольфрамовый катод известен как наименее чувствительный к условиям эксплуатации.

Основной недостаток – низкая технологичность, трудно обрабатывать резанием. Очень хрупок после нагрева. Вольфрамовая проволока поликристалична, а это приводит к неравномерности эмиссии с поверхности катода. Эмиссионный пучок электронов с поликристаллической проволоки трудно сфокусировать. Попытки получения монокристаллической проволоки – не привели к положительным результатам.

Поэтому, в настоящее время вольфрамовые катоды (чистый вольфрам) применяются только в мощных генераторных лампах, работающих при высоких напряжениях на аноде (≥5 кВ); рентгеновских трубках, электронных микроскопах и ЭЛ технологических установках (электронная сварка, резка и т.д.).

В перспективе – повышение технологических свойств вольфрама возможно за счет увеличения степени его чистоты и дополнительного введения легирующих примесей, например, от 5 до 20% рения(сплавы ВР5 и ВР20). По эмиссионным свойствам эти сплавы не уступают вольфраму, но значительно легче с ними работать и имеют более высокое электрическое сопротивление.

Из других чистых тугоплавких металлов и сплавов на их основе применяют только тантал и рений. Технология обработки рения так же низка, как и вольфрама. Но рений легче поддается точечной сварке. Применение тантала, в основном, связано с тем, что при приготовлении из него плоских катодов и тонких пластин меньше технологических проблем, чем с вольфрамом. Форма катода от простой "W" до различных спиралей и т.д.

Пленочные катоды

Пленочные катоды - катоды из тугоплавких металлов, поверхность которых покрыта мономолекулярным слоем электроположительного вещества для снижения работы выхода. Физ-хим причиной снижения А_вых является образование на рабочей поверхности катода двойного электрического слоя, внешняя сторона которого заряжена положительно. Ионы цезия удерживаются на поверхности за счет сил зеркального отображения. Электроположительными ионами являются цезий, барий, торий и т.д.

Если работа выхода электрона из металла больше, чем потенциал ионизации адсорбированных атомов; например, атомы цезия на пов-ти вольфрама – вольфрамо-цезиовый катод – то они отдают свои валентные электроны вольфраму и превращаются в положительно заряженные ионы (рис.2.2а).Между этими ионами и их электрическим изображением в вольфраме возникает сила притяжения, удерживающая моноатомную пленку на пов-ти, и образуется двойной электрический слой, внешняя сторона которого заряжена положительно.

А если потенциал ионизации адсорбированных атомов больше А_вых электрона из металла (случай для атомов бария и технеция на поверхности вольфрама) – вольфрамовые торированные, вольфрамо-бариевые катоды). В этом случае адсорбированные атомы на пов-ти находятся в виде диполей, также образующих двойной электрический слой, внешняя сторона которого заряжена положительно.(рис.2.2а)

В поле двойного электрического слоя, эмитированные из металла электрона приобретают дополнительную энергию. В результате этого работа выхода электрона существенно снижается.

Иллюстрация – рис. 2.3б, кривая 1. Показан профиль потенциального барьера чистого металла с работой выхода А (кривая 1) и распределение потенциала, созданного электрическим полем двойного заряженного слоя (кривая 3). Профиль потенциального барьера для пленочного катода с двойным заряженным слоем, снижающим работу выхода электрона до величины А_ПК (кривая 2).

При наличии цезия на пов-ти работа выхода электрона из вольфрама снижается с 4,5 эВ до 1,36. А в присутствии моноатомной пленки тория – до 2,63 эВ.

В теории, изменение работы выхода

, (1)

n – число электронов на единице рабочей поверхности катода, e – заряд электрона, p=ed – электрический дипольный момент адсорбированного атома.

Согласно равенству (1), снижение работы будет тем больше, чем больше поверхностная плотность диполей. Этот факт не подтверждается экспериментально. Большая величина ∆A достигается не при сплошной моноатомной пленке степень перекрытия μ= 1, максимум достигается при степени перекрытия = 0,7. Объяснение этого факта связано с тем, что взаимные электрических полей от соседних диполей, и поэтому приводящего к уменьшению их электрических моментов.

Недостатки:

Основной недостаток – малая долговечность ввиду плохого сцепления диполей (или ионизированных атомов) с поверхностью металла. В результате экспериментов по устранению недостатка пленочные катоды вытесняются ториованно-карбидированными катодами на основе вольфрама.

Технология состоит в следующем – исходным материалом является вольфрам с примесью диоксида тория. Из проволоки либо ленты изготавливают катод необходимой формы и монтируют на рабочем месте в электровакуумном приборе. После достижения вакуума объем заполняется парами углеводородов, например, бензолом. Включают нагрев катода, нагревая до температуры порядка 1600^оК. Углерод, осаждаясь на пов-ти катода, взаимодействует с вольфрамом и образует карбид – W₂C, толщина пленки на пов-ти зависит от времени выдержки и давления паров углеводорода. При оптимальной толщине доля карбида вольфрама составляет порядка 30%. После этого откачивают до рабочего вакуума и проводят активацию, которая заключается в следующем – нагревают до температуры 2800^оК, выдерживают 1-2 минуты, снижают температуру до 2000-2300^оК и выдерживают 15-20 минут. В данном варианте термической обработки происходит восстановление оксида тория (ThO₂) до металлического тория, и происходит установление термодинамического равновесия между поступлением атомов тория на поверхность катода и их испарения в вакуум. В итоге, на пов-ти карбида вольфрама образуется моноатомная пленка ионизированных атомов тория, что изображено на рис.3.

Прочность сцепления карбидной пленки и данной поверхностной пленки с карбидом во много раз больше таковой с чистым вольфрамом. Благодаря этому повышается долговечность и стабильность катода.

Оксидный катод. Вольтамперные характеристики полупроводниковых термокатодов в стационарном и импульсном режиме работы.

Оксидный катод находит наибольшее применение в электровакуумных приборах (кинескопы, трубки).

Конструктивно представляют из себя металлический керн, на поверхность которого нанесен слой оксида толщиной 20-100 мкм с распределенными по всему слою атомами чистого металла – донора, - придающего оксидному слою свойства примесного п/п

В зависимости от материала керна и химического состава оксидного слоя катоды разделяют на две группы:

1. Низкотемпературные

2. Высокотемпературные

В НТ катодах эмиссионно-активный слой состоит из щелочно-земельных оксидов BaO и SrO, иногда добавляют CaO. Их получают термолизом карбонатов (BaSr)CO₃, BaSrCO₃ либо сложных карбонатов. Карбонаты наносят на керн (основу) из никеля.

Основную функцию при работе катода выполняет оксид бария, который при активировании катода (нагрев до 1250-1300^оК с выдержкой в несколько мин) восстанавливается до металлического бария, атомы которого, распределяясь внутри оксидного слоя, выступают в роли доноров, и превращает его в примесной п/п с примесной полупроводимостью. Активированный оксидный слой обычно имеет пористую, шероховатую внешне, пов-ть, с которой идет эмиссия. А на границе керна образуется тонкая п/п пленка (запорный слой ≤ 0,01 мкн). Такое присутствие пленки, ввиду её высокого электрического сопротивления, негативно сказывается на свойствах оксидных катодов. Например, при недокале катода сопротивление пленки велико, и эмиссия проходит не со всей площади, а на малом участке "а" (рис.3б), который прогревается непосредственно током эмиссии. Это может привести к локальному перегреву и разрушению оксидного покрытия на данном участке.

ВАХ: Работа выходы электронов из оксидных катодов – 1,1-1,4 эВ. При этом, обеспечиваются большие эмиссионные токи в рабочем диапазоне 950-1150^оК. Рис.2.5.При этом у катодов наблюдается резкое снижение (по времени) эмиссионного тока при импульсном напряжении на электродах (рис.2.5б) В начальный момент оксидный катод обеспечивает большой ток, который быстро убывает по экспоненциальному закону и достигает I_непр. Если на время выключить, то после непродолжительной паузы эмиссионные свойства восстановится. Поэтому ток эмиссии оксидного катода в непрерывном режиме оказывается всегда меньше возможного импульсного тока и даже меньше его среднего значения (рис.2.5.б)

Это явление связано со следующими явлениями:

Наличие высокоомной пленки, отравление(окисление) эмиссионного слоя газами, электролитический отвод ионов бария от поверхности к керну и ряд других сложных физико-химических процессов, непрерывно протекающих при работе катода.

Если мы включим катод, эмиссия будет сразу максимальной. Но с течением времени начнет уменьшаться, и примерно 2/3 от эмиссии потеряется. Если катод включать импульсно, в течение микросекунд, то эмиссия останется максимальной (столбики).

Поэтому, ток оксидного катода в непрерывном режиме всегда меньше возможного импульсного, и меньше его среднего значения. Это связано:

1) наличие высокоомной пленки 2) отравление (окисление) эмиссионного слоя газами; 3) электролитический отвод ионов бария от поверхности к керну 4) ряд других сложных электро-хим процессов, непрерывно протекающих при работе катода.

В настоящее время широкое распространение получили катоды с губчатой эмиссионной поверхностью, прессованные и эмпригнированные. У них эмиссионно-активное вещество содержится в порах никелевой или вольфрамовой губки. В кач-ве ЭАВ используют алюминаты бария (mBaO*nCaO*iAl₂O₃) либо сканаты бария либо вольфраматы бария. В этих соединениях m = 2,5, n = 0,5, i = 1,2. При изготовлении прессованного катода смесь порошков материалов губки и ЭАВ запрессовывается в керн, а затем спекается при высокой температуре или в вакууме, или в атмосфере водорода. Катод получается прочным и хорошо поддается механической обработке.

Эти катоды применяются: рабочая температура 1320-1370^оК, А_вых = 2 – 2,12 эВ, плотность эмиссионного тока = 6 А/см², долговечность – несколько тысяч часов. Используется в СВЧ приборах, газовых лазерах, ЭЛТ. Эмиссионные свойства таких катодов существенно возрастают после напыления их металлами платиновой группы, например, при напылении пленки осмия работа выхода уменьшается на 0,1 эВ, а плотность тока увеличивается более чем в 3 раза.

ФОТОКАТОДЫ