Конструктивные особенности и свойства газовых сенсоров

Газовые сенсоры (детекторы или газосигнализаторы) – это устройства, которые позволяют измерять концентрацию или определять наличие отдельных компонентов газовых смесей, в том числе паров жидких веществ. Учитывая, что такие газы часто не имеют запаха, требуют точного определения и бывают смертельны даже в микроскопической концентрации, такой датчик должен быть чувствительным и надежным. Соответственно, выбор сенсора или завершенного датчика требует и должного подхода, и надежную технологию.

Актуальность данной работы состоит в том, что газовые сенсоры – это основа многих систем безопасности разного назначения. Например, в быту они используются для обнаружения продуктов горения (дыма) и бытового газа. Если бы наши, еще советской постройки, да и не только, дома, имели такие датчики, то сколько бы это спасло жизней от взрывов воздушно-газовой смеси и, не имеющего цвета и запаха, но крайне опасного угарного газа. Газовые сенсоры также являются критически важным элементом систем контроля управления и безопасности технологическими и производственными процессами, связанными с зачастую ядовитыми или огне- и взрывоопасными газообразными веществами. Поэтому в случае газовых сенсоров целесообразно применять проверенные решения, которые могут гарантировать их должное функционирование и долговременную надежность.

При выполнении работы, мною были изучены различные способы мониторинга смесей газов и их химического состава. После разностороннего рассмотрения, я проанализировал и систематизировал существующие газовые анализаторы. При этом были выявлены основные требования, предъявляемые к датчикам:

• Универсальность. Возможность определять концентрации различных химических веществ без замены чувствительных элементов и настройки прибора на эти вещества;
• Чувствительность прибора на уровне до единиц объемных процентов;
• Необходимость обработки результатов измерения на месте и передачи в центральный блок только готовых результатов;
• Возможность работы, как в составе системы, так и автономно;
• Модульное построение;
• Малые габариты;
• Низкое энергопотребление;

При изучении работ с описанием свойств полупроводников особый интерес вызывают работы о взаимодействии полупроводниковых пленок и газовых смесей, [2]. В этих работах рассматриваются способы определения процентного содержания в газе каких-либо примесей. Например, любопытны исследования влияния добавления примесей к меди на электропроводность и сенсорные свойства пленок SnO₂, [1]. Изученная модель объясняет повышенную чувствительность SnO₂ к сероводороду. В ходе исследований изменение проводимости обеспечено химической реакцией серы с электрически активной медью на всей поверхности пленки.

Самые поразительные результаты по созданию анализаторов универсальной смеси газов с применением полупроводниковых детекторов были получены при использовании в качестве датчиков комбинации из сотен полупроводниковых пленок, с различными составами примесей. В зависимости от состояния уровня легирования загрязнителя, в какой-то из ячеек происходит максимальное увеличение проводимости. Тогда из общности реакций от всех ячеек, входящих в прибор, делаются выводы о составе газовой смеси и наличия в ней загрязнителей. Таким образом получаем, что прибор является набором полупроводниковых детекторов в одном корпусе, где каждый выдает реакцию на свое определенное вещество.

На данный момент разработано и производится несколько видов газовых датчиков. Основным минусом всех таких детекторов является то, что они рассчитаны на определение одного вида химического вещества- загрязнителя или на определение загрязненности воздуха в целом.

Токсичные газы включают гидриды, фтористый водород, цианистый водород, хлористый водород, фтор, озон, гидразин и многие другие. Хотя эти газы по своей природе крайне опасны, они используются во многих высокотехнологичных производственных процессах. Они также играют важную роль в горнодобывающей, нефтехимической и энергетической промышленности. Сенсорные датчики должны не только надежно реагировать на токсичные газы, которые могут быть ядовитыми, взрывоопасными, легковоспламеняющимися или обладают всеми тремя характеристиками, но они также должны эффективно функционировать в жестких условиях среды эксплуатации. Обеспечение надежного и быстрого измерения утечек низкого уровня или чрезмерно высоких концентраций таких газов имеет решающее значение для бесперебойной промышленной эксплуатации и защиты жизни и имущества.

В настоящее время имеются несколько сотен разработок для обнаружения около 30 различных газов для предприятий. Они позволяют измерять уровень критически важных для производства токсичных газов, в том числе, для обнаружения трудно измеряемых газов, используемых в разных сферах индустрии, очистке выбросов и других систем обеззараживания и рециркуляции.

Основной функцией газового сенсора является преобразование концентрации анализируемого вещества в электрический или какой-либо другой сигнал, позволяющий регистрацию и визуализацию этого сигнала. Наиболее распространенными являются полупроводниковые, электрохимические и оптические (инфракрасные) сенсоры. В сенсорах первых двух типов за счет адсорбции компонента смеси происходит изменение электрических свойств сенсора, в третьем случае фиксируется изменение оптической плотности анализируемой смеси газов при определенной длине волны. Наиболее важными характеристиками газовых сенсоров являются селективность по отдельному компоненту, концентрационные пределы определения компонента и время отклика (реакции сенсора на изменение концентрации компонента). 

Чаще всего в сенсорах используются датчики на основе следующих технологий:

• Электрохимические датчики для обнаружения кислорода. Датчики кислорода представляют собой батарею типа «металл-воздух», содержащую анод, электролит и воздушный катод.
• Электрохимические датчики для обнаружения токсичных газов. Датчики представляют собой микротопливные элементы, которые не требуют технического обслуживания и стабильны в течение длительного времени. Они имеют прямую реакцию на объемную концентрацию газа, а не парциальное давление.
• Пеллисторы. Этот тип датчиков использует каталитическое сгорание для измерения горючих газов или паров в воздухе вплоть до нижнего предела взрываемости (НПВ). Стандартный датчик состоит из согласованной пары элементов, обычно называемых детектором и компенсатором (эталонный элемент). Детектор содержит катушку из платиновой проволоки, встроенную в шарик каталитического материала, измерение производится через изменение баланса мост Уитстона.
• Датчики на основе поглощения инфракрасного излучения. Основные принципы работы инфракрасных газовых датчиков основаны на использовании явления поглощения инфракрасного излучения и используют тот факт, что для любого материала сила поглощения (поглощение) изменяется в зависимости от длины волны (его спектра поглощения), а разные материалы имеют разные спектры поглощения. Применяется для таких газов, как угарный газ (монооксид углерода, CO), пропан (C₃H₈), н-Гексан (C₆H₁₄) и углекислый газ (двуокись углерода, CO₂).

Научный и системный подход крайне важен в разработке и производстве инновационных и надежных газовых датчиков для использования в личных и стационарных системах безопасности жизнедеятельности. Ведь каждый день миллионы людей во всем мире доверяют свои жизни таким датчикам, в надежде получить безопасность и защиту от опасных газов. Причем это касается не только людей, работающих в жестких и опасных условиях индустриальной среды, но и на транспорте, дома, на обычных предприятиях и офисах, и даже в больницах.

1. Б.А.Акимов, А.В.Албул, А.М.Гаськов, В.Ю.Ильин, М.Лабо, М.Н.Румянцева, Л.И.Рябова Сенсорные свойства по отношению к сероводороду и электропроводность поликристаллических пленок SnO₂ (CuO) Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4.
2. Аленберг В.Б., Бичукина Т.Н., Кожитов Л.В. и др. Тонкие пленки SnO₂ (CuO) для газовых сенсоров. Перспективные материалы (1997),  2