OTPORNI^KI SENZORI GASOVA - kelm.ftn.uns.ac.rs · PDF fileenergija aktivacije pribli`no jednaka nuli. Takvi poluprovodnici imaju strukturu perovskita, na primer oksid BaFe 0,8Ta 0,2O

66 OTPORNI^KI OTPORNI^KI

SENZORI GASOVASENZORI GASOVA

6.1. SENZORI KISEONIKA6.1. SENZORI KISEONIKA 6.1.1. 6.1.1. Niskotemperaturni senzoriNiskotemperaturni senzori

Promena otpornosti poluprovodnih oksida kao to su ZnO,TiO2 i SnO2 usled adsorpcije molekula gasa i hemijskih reakcija odvijase najpre na povrinskom sloju debljine oko 1 µm. Ovaj procesozna~ava se kao hemisorpcija i karakteristi~an je za niè temperature;na primer, za ZnO to je interval 300−600 K (slika 5.4). Na viojtemperaturi reakcije na povrini praene su promenom stehiometrije uunutranjosti poluprovodnika i tada se menja otpornost senzora pocelom volumenu.

Za hemisorpciju je karakteristi~na reakcija sa kiseonikom. U tojreakciji molekuli kiseonika razmenjuju elektrone sa atomima napovrini senzora moduliui tako njegovu otpornost. Broj ad-sorbovanih molekula kiseonika zavisi od njegove koncentracije uatmosferi, zatim od broja slobodnih adsorpcionih centara na povrini,od visine energetske barijere koja je odre|ena ve adsorbovanimmolekulima i gustinom dopiranja, te od debljine i aktivne povrine.

Brzina hemisorpcije je proporcionalna koncentraciji kiseonikaa zatim opada pri veoj koncentraciji od nekoliko procenata. Zato sevremenski odziv na skokovitu promenu koncentracije aproksimiralogaritamskom funkcijom:

( )

+

+= 11lns T

tRtR , (6.1)

170 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

gde je T≈1s vremenska konstanta na radnoj temperaturi 250−280 °C iRs otpornost senzora na radnoj temperaturi pre skokovite promenekoncentracije.

Detekcija kiseonika kao to je istaknuto ima poseban zna~aj,jer se detekcija veine drugih gasova moè ostvariti zahvaljujuihemijskim reakcijama izme|u tog gasa i kiseonika. U tokuhemisorpcije molekuli kiseonika iz okoline O2gas jonizuju se vezujui zasebe elektrone sa povrine poluprovodnika:

−− ↔+ ads2gas2 OO e . (6.2)

Ravnote`na konstanta ove reakcije moè se napisati uobliku:

nnK

gas2

ads2

gas2

ads2

O

O

O

O −−

=]][[

][= , (6.3)

gde je [O2 gas] =O2 gas koncentracija kiseonika u datoj atmosferi,[O2 ads

−] =O2 ads− koncentracija jona kiseonika na povrini senzora i

[e−]=n gustina elektrona. U povrinskom sloju ispra`njenomelektronima ostali su jonizovani donori. Naelektrisanje koje jepotroeno na jonizaciju kiseonika jednako je naelektrisanju sloja:

Dads2O wN=− , (6.4)

gde je w debljina potpuno ispra`njenog sloja i ND gustina dopiranjadonora (slika 6.1.a).

a) b)Slika 6.1. Senzor sa povrinskom hemisorpcijom: a) aktivna povrina, b) zavis-

nost otpornosti od koncentracije kiseonika u atmosferi azota

U delu senzora koji nije zahvaen procesom razmenenaelektrisanja broj elektrona je:

6. OTPORNI^KI SENZORI GASOVA 171

−=

0

0D w

wwNn . (6.5)

Otpornost tog dela duìne l i irine b koji nije zahvaenhemisorpcijom je:

ww −ρ=

0

1bl

R . (6.6)

gde je w0 ukupna debljina oksidnog sloja i r specifi~na otpornost:

Dn

1eNµ

=ρ . (6.7)

Kombinovanjem jedna~ina (6.3), (6.4) i (6.5) dobija se da jedebljina aktivnog sloja u obliku:

K

K

gas2

gas2

O

O

+=

0

0

w

ww , (6.8)

Kada se ovaj izraz uvrsti u jedna~inu (6.6), dobija se kona~nioblik za promenu otpornosti u zavisnosti od koncentracije kiseonika:

+= gas2

00 O1

wK

RR . (6.9)

gde je R0=(l/bw0)r nominalna otpornost neoptereenog senzora.

Karakteristike. Stati~ka karakteristika, zavisnostotpornosti od koncentracije kiseonika (6.9) je linearna. U tokuprojektovanja i fabrikacije senzora biraju se debljina otporni~kogsloja w0 i gustina dopiranja ND tako da se dobije optimalnaosetljivost za dati opseg koncentracije kiseonika.

Na slici 6.1.b prikazane su tipi~ne stati~ke karakteristike zavelike vrednosti koncentracije (do 60%V/V ), odnosno za malekoncentracije kiseonika (do 1,5%V/V ) u referentnoj atmosferi od azota.Tako|e je prikazan uticaj radne temperature na izbor izlaznog opsega.Interesantno je da se ovakav senzor kiseonika moè sa uspehomprimeniti i u mirnoj vodenoj sredini, gde ina~e Klarkova kiseoni~naelektroda daje slabe rezultate. Stati~ka karakteristika je tako|elinearna; u intervalu 0−50ppmO2V/V izlaz je 0−3,5kΩ, odnosnoosetljivost je 70Ω/ppmO2.


Tipi~na realizacija niskotemperaturnog senzora kiseonikaizvedena je tehnikom tankih slojeva pomou mikrolitografije (slika6.2). Termi~kom oksidacijom najpre je na standardnu Si−osnovu niskeotpornosti (∼0,001 Ωcm) nanet sloj SiO2 debljine oko 1 µm, koji sluìkao elektri~na i termi~ka izolacija izme|u osnove i Pt−greja~a. Greja~ jetampan postupkom naparivanja u obliku meandra za koji jekarakteristi~no da ima pet puta veu otpornost od ekvivalentnogpravougaonog otpornika iste povrine. Snaga je oko 1,5 W, a moè bitimanja kada je osnova od stakla, kvarca ili nekog drugog materijalaslabije toplotne provodnosti od SiO2. Veli~ina senzora je oko 3×3mm iupakovan je u standardni dvoredni ~ip.

Slika 6.2. Tankoslojni senzor kiseonika

U istom nivou, pored greja~a, naparivanjem je nanet Pt−senzortemperature. Preko greja~a i senzora temperature je sloj ZnO debljine∼2 µm na kome su litografskim postupkom napravljeni otvori zakontakte. Zatim su deponovani dvoslojni kontakti otporni~kog senzoragasa Ti/Au (0,1 /0,4 µm) i litografijom formiran njihov oblikdvostrukog ~elja. Na kraju je deponovan senzorski sloj ZnO(1 − 1 ,5 µm).

Aktivni deo poluprovodnika ZnO je izme|u senzorskih kontakatai ima oblik meandra. Ta~no ispod njega je greja~ istog takvog oblika


~ime se obezbe|uje manje rasipanje toplote. Topljenjem na 400 °C uatmosferi azota ZnO se po celom obodu aktivne povrine spaja saAu−kontaktima. Tipi~na otpornost senzorskog sloja je 0,1−1 GΩ,odnosno pri nultoj koncentraciji kiseonika na temperaturi 300 °Cotpornost je 10−100 kΩ.

6.1.2. Visokotemperaturni senzori6.1.2. Visokotemperaturni senzoriProvodnost na radnoj temperaturi veoj od 600 °C rezultat je

ravnoteè izme|u odre|ene koncentracije kiseonika i stehiometrije uunutranjosti poluprovodnika i moè se, saglasno jedna~ini (5.27),predstaviti u obliku:

NkTE pA /1

2O- ae ⋅=σ , (6.10)

gde je A=D0(zq)2/kT konstanta, Ea energija aktivacije za provodnost, pO2

parcijalni pritisak kiseonika i N osetljivost na kiseonik − konstantaodre|ena tipom dominatnih defekata u unutranjosti poluprovodnikakoji u~estvuju u ravnoteì izme|u kiseonika i senzora. Na primer, akosu defekti dvostruko naelektrisane kiseoni~ne upljine +2

OV , tada jeN=−6, kao to je to pokazano u jedna~ini (5.23).

Osetljivost merenja koncentracije kiseonika zavisi od tem-perature. Na primer, na temperaturi 600 °C poluprovodnik TiO2

ima energiju aktivacije za provodnost Ea=1,5 eV to zna~i da ese provodnost promeniti 100% kada se temperatura promeni za40 °C. Ovaj problem reava se regulacijom radne temperature iliprimenom poluprovodnika koji su osetljivi na kiseonik ali jeenergija aktivacije pribli`no jednaka nuli. Takvi poluprovodniciimaju strukturu perovskita, na primer oksid BaFe0,8Ta0,2O3 (tabela6.1).

Tabela 6.1. Uporedne karakteristike tipi~nih poluprovodnika za senzorekiseonika na 600 °C

PARA−− METAR

POLU-PROVODNIK

OSETLJIVOST NAKISEONIK N

ENERGIJAAKTIVACIJE Ea

KRISTALNASTRUKTURA

TiO2 −4, −6 1,5 RUTIL

BaFe0,8Ta0,2O3 +5 ∼0 PEROVSKIT


Tehnika zelenih traka. Senzori kiseonika za rad natemperaturi od 600 °C tako|e se prave u planarnoj tehnologiji, ali saizvesnim razlikama u odnosu na klasi~nu mikrolitografiju gde se vritampanje pomou odgovarajuih maski i pe~enje dielektri~nih slojevana kerami~kom supstratu.

Na primer, kola mogu da se odtampaju nezavisno na vieodvojenih slojeva, na trakama zelene alumine debljine 100−150 µm.Alumina je ina~e standardni supstrat u proizvodnji senzora, a sastoji seod 96%Al2O3 i 4% oksida silicijiuma, magnezijuma i kalcijuma radipoboljanja mehani~kih i elektri~nih karakteristika. Poseban tipalumine priprema se uz dodatak organskog rastvara~a, lepka ipolimera tako da se dobije pasta koja se nanosi na glatki teflonskimaterijal. Pomou skalpela uklanja se viak paste i formira trakapotrebne debljine koja posle suenja na vazduhu ima zelenu bojuodakle i poti~e njen naziv (green tape dielectrics). Tehnikom litografijena svakoj traci tampa se jedno kolo (greja~, senzor temperature,senzorski kontakti), trake se onda poravnaju po vertikali, spoje usistem sa odgovarajuim provodnim vezama, pritisnu i zapeku narelativno niskoj temperaturi (850 − 1000 °C).

Tehnika zelenih traka ima niz dobrih osobina: eliminisana jepojava savijanja tampanog sloja usled razli~itog temperaturnogkoeficijenta u odnosu na supstrat, postoji mogunost vizuelne kontroleprekida veza i pojave rupica na svakoj traci, ostvarena je vea


otpornost izolatora zahvaljujui veoj debljini traka pre pe~enja,redukovana je veli~ina veza i dobijena ravnija podloga za tampu.Posebno je va`no da se termi~ka obrada provodi za sve trakeistovremeno, to je zna~ajna uteda u odnosu na klasi~numikrolitografiju koja uklju~uje 20−35 nezavisnih pe~enja.

Na slici 6.3.a prikazan je titanijumski senzor kiseonika na-pravljen od tri sloja zelene alumine. Trake sluè kao supstrat nakoji se nanose greja~, elektrode i osetljivi poluprovodni~ki slojTiO2. Trake se spajaju pod pritiskom, a zatim se zagrevaju takoda omeknu i adhezijom ~vrsto prilepe. Zavrna termi~ka obradana 1500 °C daje potrebnu gustinu i mehani~ku ~vrstinu. Na slici6.3.b prikazana je metalizacija provodnih veza izme|u traka.

Tehnika paste ~esto se primenjuje u gradnji senzoragasova, na primer senzora kiseonika na bazi kalaj−dioksida SnO2

(slika 6.4.a). Pasta je smesa od najmanje dve komponente: rast-vara~a sa nekim polimerom ili smolom i aktivnog sastojka kojiodre|uje elektri~ne, odnosno senzorske karakteristike. U praviluse dodaje jo staklo ili oksid kao trea komponenta koja sluìkao vezujui agens izme|u zape~enog sloja paste i supstrata.Prilikom proizvodnje paste najpre se komponente uodgovarajuem teìnskom omeru grubo izmeaju da bi seprakasti oksid ovlaìo. U drugoj fazi mikstura se vie putaproputa izme|u rotirajuih to~kia mlina, tako to se svaki putrastojanje izme|u to~kia smanji sve dok se ne dobije èljenasuspenzija.

Priprema paste SnO2 relativno je jednostavna. Najpre sedodavanjem te~nog amonijaka kalaj−dioksid kalcinira u kalaj−−tetrahlor, a zatim se isuuje i melje. Pasta se stavlja u netodebljem sloju (10−50 µm) na osnovu od alumine, na kojoj suevaporacijom nanete platinske elektrode u obliku meandra. Taj


oblik je prakti~an jer optimizira otpornost u odnosu na veli~inu iskoro uniformno zagreva povrinu koju zauzima (slika 6.4.b). Sadonje strane na osnovi su elektrode greja~a i senzora temperature.

6.1.3. Geometrija kontakata6.1.3. Geometrija kontakata

Kontakti i detekcija. Hemijska adsorpcija i promenapovrinske otpornosti najvie su izraèni kod tankoslojnih polu-provodnika debljine od svega nekoliko nanometara jer je tada Debijevaduìna LD (ekvivalentni radijus naelektrisanja) vea od radijusakristalnih ~estica oksida. Naj~ee je debljina sloja desetak µm, avremenska konstanta adsorpcije/desorpcije oko 30−60 s. Radioptimizacije navedenih parametara, ali i cele strukture senzora,projektuje se adekvatna geometrija kontakata.

Prvi senzori imali su greja~ od Pt−ìce na koju se direktnonanosila pasta. Danas je greja~ obi~no unutar kerami~kog cilindra nakoji se onda nanosi povrinski sloj poluprovodnika. U obe izvedbe sastrane su stavljani prstenasti priklju~ci za merenje otpornosti senzora(slika 6.5.a).


Na slici 6.5.b elektrode su izvedene planarno na tankosloj-nom poluprovodniku, tako da je povrina A=d⋅l izme|u elektrodaaktivni deo senzora. Sli~no se ponaa senzor sa potpovrinskimelektrodama (slika 6.5.c). Spoj u ~etiri ta~ke, ~etveroì~no prik-lju-~ivanje, primenjuje se za eliminaciju parazitnih otpornosti:priklju~nih vodova, kontakata na senzoru i kontakata izme|ukablova i mernog kola (slika 6.5.d). Ukupna parazitna otpornostje mala (∼0,2 Ω), ali predstavlja greku od 20% pri merenju otpornosti od 1 Ω. Na jedan par kontakata priklju~eno je pomonokolo sa konstantnom strujom I0, a na drugom paru kontakatameri se napon U na otporniku i pri tome zaobilaze parazitneotpornosti.

Optimalna struktura elektroda u pogledu osetljivostimerenja provodnosti ima oblik dvostrukog ~elja (slika 6.4.c).Provodnost izme|u takvih elektroda je G=kA/2d2. Za tipi~nu iri-nu d=0,3mm dobija se G≈k5A, to je pet puta vie nego za sen-zor sa pravougaonom povrinom A izme|u dve ravne elektrode.Drugim re~ima, senzor sa elektrodama u obliku dvostrukog ~eljamanji je pet puta u pore|enju sa senzorom iste provodnosti kojiima ravne elektrode.

6.2. SENZORI REDUKCIONIH6.2. SENZORI REDUKCIONIHGASOVAGASOVA

6.26.2.1. 1. Princip detekcijePrincip detekcijeRedukcioni gasovi u reakcijama hemisorpcije vezuju

kiseonik i na taj na~in menjaju otpornost poluprovodnika. Ovapojava najbolje je objanjena za sitnozrnasti, granulasti polupro-vodnik dobijen sinterovanjem praha, kao to je to na primerkalaj−dioksid SnO2.

Granule se dodiruju stvarajui elektri~ni kontakt (slika 6.6).Na povrini granula je adsorbovani kiseonik koji uz sebe veèslobodne elektrone neposredno ispod povrine, pa na mestuizvu~enih elektrona ostaju pozitivno naelektrisani donori. Na tajna~in poluprovodnik je prekriven tankim izolatorskim slojem.Slobodni elektroni unutar granula kreu se haoti~no i tek pod


delovanjem vanjskog elektri~nog polja njihovo kretanje postajeusmereno. Da bi dolo do provo|enja, elektroni moraju da pro|uneprovodni sloj na kontaktima granula, tj. da savladaju barijerukoju ~ini elektri~no polje izme|u pozitivno naelektrisanih donorai negativno naelektrisanih jona kiseonika O−, kao to je prikazanona energetskom dijagramu (slika 6.6). Gustina elektrona ns sadovoljnom energijom da pro|u kroz barijeru odre|ena jejedna~inom

kTqVNn /-ds

0e= , (6.11)

gde je Nd gustina donora. Prema tome, elektri~na provodnost krozgranule je proporcionalna gustini elektrona ns: to god je vie kiseonikana povrini, barijera je vea i manje elektrona prolazi krozpoluprovodnik, odnosno elektri~na otpornost je vea.

Posle opisane jonizacije kiseonika (O2+2e−↔2O−) na povrinipoluprovodnika e u prisustvu redukcionog gasa RH2 doi doredukcije, procesa u kome se RH2 spaja sa kiseonikom iotputaju elektroni:


−− ++↔+ e2OHROO2RH 22 (6.12)

Kada u atmosferi nema merenog redukcionog gasa RH2, tada jevelika koncentracija kiseonika O−, pa je velika elektri~na otpornost. Saporastom koncentracije RH2 opada koncentracija O−, raste brojslobodnih elektrona i smanjuje se otpornost. îm se uspostavistacionarno stanje reakcije (6.12), otpornost poluprovodnika bieproporcionalna merenoj koncentraciji RH2. Promena otpornosti uzavisnosti od redukcionog gasa je suprotna kod poluprovodnika p−tipa(tabela 6.2). Podrazumeva se da je merenje obavljeno u atmosferi safiksnim parcijalnim pritiskom kiseonika.

Tabela 6.2. Otpornost u zavisnosti od tipa poluprovodnika i vrste gasa

Selektivnost poluprovodnika na pojedine gasove postiè seadekvatnom radnom temperaturom ili dodavanjem materijala kojideluju kao adsorbenti, filteri, katalizatori ili promotori.

Pri niskoj temperaturi reakcija O2+2e−↔2O− je spora, pa jeosetljivost senzora mala. Sa porastom temperature brzina reakcijeraste i osetljivost postaje vea. Pri dovoljno visokoj temperaturireakcija jonizacije kiseonika postaje toliko brza da nedostajeredukcionog gasa, jer je njegova koncentracija na povrini senzoraograni~ena difuzijom, pa je osetljivost ponovo mala. Prema tome,postoji temperatura za koju je osetljivost maksimalna za dati gas.Ako se temperatura cikli~ki menja pomou programatora, jednimsenzorom moè se meriti koncentracija razli~itih gasova.

Deponovanjem materijala sa izrazito selektivnomadsorpcijom poveava se koncentracija merenog gasa na povrinisenzora, a time i njegova osetljivost. Neki materijali proputaju ilizadràvaju odre|eni gas. Na primer, titanijum−dioksid TiO2 imaizraènu selektivnost na amonijak CH4, metalizirani slojeviproputaju ugljen−dioksid CO2, slojevi od plemenitih metala Pt i Pdproputaju vodonik H, cirkonijum−oksid ZrO proputa kiseonik, ateflon zadràva vodu.

POLUPROVODNIK REDUKCIONI GAS OKSIDACIONI GAS

n−TIP PROVODNOST OPADA PROVODNOST RASTE

p−TIP PROVODNOST RASTE PROVODNOST OPADA


Kataliti~ki metali deponovani na povrini senzora poveavajubrzinu reakcije na kojoj se zasniva merenje nekog gasa. Naprimer, plemeniti metali su odli~ni katalizatori oksidacijeO2+2e− ↔2O−. Na platini dolazi do disosovanja molekula kiseonika izatmosfere na atome 2Pt+O2→2Pt−O, pri ~emu je jonska veza Pt−Onestabilna, lako se kida, pa se stvaraju uslovi za oksidaciju. Efikasnostikatalize doprinosi vea disperzija platine na dodiru izme|u granula(slika 6.6).

Promotori su aditivi koji podràvaju selektivno delovanjekatalizatora. Vrsta i koli~ina aditiva odre|uju se eksperimentalno. Naprimer, dodatak mangana (2%Mn) za senzor vodonika na bazi SnO2

omoguava najveu osetljivost na temperaturi 300 °C, pri ~emu jeodnos otpornosti pri maksimalnoj merenoj koncentraciji od 0,9%H2 iotpornosti kada u atmosferi nema vodonika je R0,9%H2 /R0%H2=3.Promotor od 0,5%Ag za isti senzor na 100 °C ima znatno veuosetljivost: R0,9%H2 /R0%H2=650.

6.2.2. SnO6.2.2. SnO22 senzor ugljen senzor ugljen--monoksidamonoksida

Ugljen-monoksid CO je kao ugljenovodonik tipi~ni redukcionigas. Njegovo sagorevanje na povrini poluprovodnika opisuje sejedna~inom:

−+↔+ e2-2 CO2OCO2 (6.13)

Sagorevanje moè da se pospeuje odgovarajuim katalizatorom.Vea koncentracija CO zna~i smanjivanje otpornosti senzora koji jenapravljen od poluprovodnika n−tipa, odnosno poveanje otpornostikada je senzor od poluprovodnika p−tipa.

Tankoslojni SnO2 senzor CO je tipi~ni hemisenzor struktureGS (slika 6.7.a). Na Si osnovu 10×10mm prvo je nanet izolatorskisloj od SiO2, a onda je dodato vodeno staklo. To je gusti rastvornatrijum−silikata (Na2OxSiO2) koji o~vrsne pe~enjem na temperaturi400 °C u trajanju od tri sata, a sluì kao vezivna masa izme|uoksida (SiO2) i senzorskog sloja kalaj−dioksida (SnO2). PrakastiSnO2, granula veli~ine do 1 µm, dopiran je hidratisanimplatina−hloridom (H2PtCl6⋅6H2O). Sinterovanje ove paste provodi sepe~enjem na temperaturi od 500−1000 °C u trajanju od 10 sati. Nakraju se nanose zlatne elektrode postupkom naparivanja u


vakuumu. Razmak izme|u elektroda je 1mm, odnosno aktivnapovrina senzora je 1×10mm.

Stati~ka karakteristika. Sa oksidacijom CO na povrinisenzora smanjuje se koncentracija kiseonika i otpornost senzoraopada. Stati~ka karakteristika otpornost−koncentracija CO je neli-nearna, sa najveom osetljivou na strmom delu karakteristike(slika 6.7.b). Radni deo karakteristike 0−1000 ppm je pribli`nolinearan. Donja vrednost mernog podru~ja odre|ena je pragomosetljivosti, a gornja porastom nelinearnosti. Karakteristika se ~estopredstavlja u relativnom obliku RCO+V/RV, gde je RCO+V otpornost uatmosferi vazduh+CO, a RV otpornost senzora u vazduhu. Zbog boljepreglednosti karakteristika moè da se prikaè i kao zavisnostprovodnosti GCO+V/GV od koncentracije CO.

Radna temperatura. Sa porastom temperature osetljivostsenzora prvo opada, a zatim raste. To je zato to poluprovodnik imanegativni temperaturni koeficijent otpornosti za T<Tr, odnosnopozitivni temperaturni koeficijent za T>Tr. Optimalna radnatemperatura je T=Tr jer je tu najmanja promena osetljivosti zbogtemperature. Tipi~na vrednost je Tr=100−500 °C i postiè se pomouotporni~kog greja~a (1−1,5 W) koji je deponovan u bliku meandra sapole|ine senzora.

Eksperimentalno je ustanovljeno da se najvea osetljivostimerenja koncentracije CO dobija kada se doda 0,5%Pt u odnosu na


SnO2, kada je temperatura sinterovanja 600 °C i kada je radnatemperatura 100 °C. Treba istai da je senzor osetljiv i na druge gasove:vodonik (H2), butan (C4H10), propan (C3H8) i O2. Osetljivost na CO sesmanjuje 5−10% u toku prva dva meseca posle proizvodnje da bi ondaostala stabilna.

Kerami~ki SnO2 senzor. Senzor CO na bazi SnO2 vremenompostaje sve osetljiviji na uticaj H2 i alkoholne pare, pa moè dasignalizira alarmnu vrednost koncentracije CO iako je koncentracijarealno manja. Za stabilizaciju osetljivosti merenja CO u pastuSnO2+0,5%Pt stavljaju se razli~iti aditivi. Kada se, na primer, dodasmesa od monomera tetraetil−ortosilikat−hlorida Si(OC2H5)4, etil−−alkohola C2H5OH i hlorovodonika HCl, posle sinterovanja dobija sekerami~ki SnO2 odli~nih karakteristika.

Osetljivost RCO/RV, drift osetljivosti zbog temperature, vla`nosti istarenja, vreme po~etne stabilizacije i mehani~ka ~vrstoa senzora jakozavise od stepena polimerizacije n. Eksperimentalno je ustano-vljenoda je optimalna vrednost n≈2,5.

Kerami~ki senzor SnO2 ima veoma jednostavnu strukturu (slika6.8.a). Sinterovani SnO2 je izme|u elektroda od Ir−Pd ìce pre~nika90 µm. Od iste ice napravljen je i greja~ (300 °C) sa pribli`no dva omapo navoju. Senzor je spojen u jednostavno kolo, sa izlaznim signalomVOUT koji se uzima sa opteretnog otpora RL (slika 6.8.b).


Komercijalno dostupni senzori SnO2 namenjeni su prevashodnoza merenje CO, SO2, H2, NOx, ali i mnogih drugih zapaljivih organskihpara (tabela 6.3).

Tabela 6.3. Odziv komercijalnih senzora SnO2 na organske pare u vazduhu

6.2.3. Senzori od kompozitne keramike6.2.3. Senzori od kompozitne keramike

Kompozitni poluprovodnik pravi se kao viekomponentnakeramika razli~itih oksida. Takav poluprovodnik ima bolje osobinenego komponente od kojih je sastavljen. Na primer, Y2O i SnO2 dodajuse radi poveanja ina~e male otpornosti poluprovodnika In2O3 koji seupotrebljava u gradnji senzora zapaljivih gasova.

Stati~ke karakteristike. Razvijena su tri osnovna tipa kom-pozita: In2O3−Al2O3−PdCl2, In2O3−SnO2−Al2O3−PdCl2, In2O3−Y2O3−−Al2O3−PdCl2, sa mnogobrojnim varijacijama u zavisnosti od sadràjapojedinih komponenata. Odre|ene kombinacije imaju skorodvonivosku promenu otpornosti, to je izvanredno za senzore alarmnihkoncentracija zapaljivih gasova n−butana (n−C4H10), propana (C3H8) imetana (CH4). Na primer, kada koncentracija n−butana poraste do0,1%, senzor od keramike In2O3(49,5%)− −Al2O3(50%)−PdCl2(0,5) imaotpornost koja je pet puta manja u odnosu na otpornost u ~istomvazduhu temperature 20 °C i relativne vla`nosti 65% (slika 6.9.a).Sli~ne dvonivoske promene zapaàju se i pri detekciji metana i

GAS cc [[ppmppm]] GAS cc [[ppmppm]]

Vodonik H2 1 000 Etanol C2H5OH 10 000

Metan CH4 20 000 Propan C3H8 4 000

Etilen C2H4 4 000 Butan C4H10 20 000

Etan C2H6 20 000 Metil−mercaptan CH3SH 11

Ugljen−monoksid CO 4 400 Sumpor−dioksid SO2 10 000


propana. U svim posmatranim slu~ajevima prag detekcije normiran jeda bude oko dvadeset puta manji od vrednosti koncentracije na kojoj suovi gasovi zapaljivi. Te kriti~ne vrednosti su 1,9% za butan, 2,2% zapropan i 5,3% za metan.

Konstrukcija senzora zapaljivih gasova na bazi In2O3 naj~ee jeu obliku upljeg valjka od alumine ili nekog kerami~kog materijala(slika 6.9.b). Unutar valjka je greja~ koji daje radnu temperaturumanju od one koja moè izazvati eksploziju smese vazduh−gas(<100 °C). Greja~ je od Ni−Cr ìce pre~nika 0,07 mm, ukupneotpornosti 20−22 Ω. Na krajevima valjka, sa vanjske strane, nanete suprstenaste elektrode od platine, a zatim osetljivi sloj kompozitnogpoluprovodnika od In2O3, SnO2, Y2O3 i Al2O3 sa dodatkom katalizatoraod PdCl2.

6.2.4. Senzori sa vie elektroda6.2.4. Senzori sa vie elektroda

Vieelektrodni koncept. Hemijski osetljivi otpornik priklju-~en je izme|u dve elektrode. Bilo kakva varijacija u okviru ovedefinicije ima odraza na kvantitet i kvalitet informacije o merenojatmosferi. Na primer, interesantne mogunosti u detekciji reduk-cionih gasova omoguava primena vie elektroda.

Kada redukcioni gas reaguje na povrini poluprovodni~koghemirezistora koji je nanet u tankom sloju preko para elektroda,tada se merljiv odziv dobija samo ako se dubina reakcije dR preklapasa visinom detekcije hD (slika 6.10.a). Dubina reakcije uhemirezistoru zavisi od kinetike reakcije, poroznosti materijala ikoeficijenta difuzije, a visina detekcije od razmaka izme|u elektroda.Naravno, koncentracija gasa najvea je na povrini i onda opadaprema unutranjosti senzora.


Konstrukcija. Na istoj temperaturi manje reaktivni gas kaoto je metan prodire dublje nego reaktivniji gas, na primerugljen−monoksid. Zato je mogue ispod jednog osetljivog slojapostaviti niz elektroda sa razli~itim razmakom ili na razli~itimdubinama (slika 6.10.b).

6.3. SPECIJALNI SENZORI6.3. SPECIJALNI SENZORI 6.3.1. 6.3.1. Senzori sagorevanja goriSenzori sagorevanja gorivava

Stehiometrijska koli~ina vazduha. Gorivna masa sastoji seod goriva i vazduha. Potrebna koli~ina vazduha za sagorevanje 1 kg~vrstog ili te~nog, odnosno 1m3 gasnog goriva, odre|uje sejedna~inama sagorevanja. Ta se koli~ina vazduha naziva ste-hiometrijskom. Na primer, stehiometrijska masa vazduha Z0 pot-rebna za sagorevanje 1 kg te~nog goriva ra~una se na sledei na~in:

kg31,431,44,345,110 oshcZ −++= , (6.14)

gde su c, h, s i o maseni udeli ugljenika, vodonika, sumpora ikiseonika. Za motore sa unutranjim sagorevanjem upotrebljava segorivo sa stehiometrijskom koli~inom vazduha Z0=14,6 kg.

Stehiometrijska koli~ina vazduha Z0 po jedinici mase goriva jerelativni broj koji se ozna~ava (A/F)0 i za motore sa unutranjimsagorevanjem (A/F)0=14,6. Za dobro sagorevanje goriva u cilindrumotora potrebno je vie vazduha od stehiometrijske koli~ine, to seizraàva koeficijentom vika vazduha λ:

( )00 F/AF/A

ZZ

==λ . (6.15)

Zna~aj odnosa A/F i koeficijenta λ bitan je za minimizacijupotronje goriva i emisije nepotpuno sagorelih gasova, tzv. polu-tanata, kao to su CO, NO i drugi. Promenljivo optereenje motorauti~e da se vrednost A/F pomera od stehiometrijske (A/F)0, odnosnood λ =1, pa u smesi ima previe goriva ili premalo vazduha. U prvomslu~aju je smesa slaba, A/F>(A/F)0, to moè da se prati pomoukoncentracije glavnih produkata sagorevanja N2, H2O, CO i O2. Udrugom slu~aju smesa je bogata, A/F<(A/F)0, a glavni produkti


sagorevanja su N2, H2O, CO i CO2. Senzori koji prate vrednostkoeficijenta λ nazivaju se λ−senzori.

Tehni~ki zahtevi bitni za konstrukciju i rad senzora odnosaA/F su:

• mogunost ugradnje u blizini mesta sagorevanja, to ujednozna~i i izdr`ljivost na temperaturi veoj od 900 °C;

• veliko radno podru~je temperature, od −20 °C do 1 000 °C, toodgovara stanjima motora od mirovanja do punog op-tereenja;

• stabilan rad na visokoj temperaturi u prisustvu kiseonikai redukcionih gasova;

• brz i linearan odziv za irok opseg promene A/F;

• kompaktna izrada i jeftina ugradnja.

Tehni~ki zahtevi i realizacija. Nije lako napraviti senzorA/F prema navedenim zahtevima, mada se elektri~na otpornostmnogih oksida menja sa promenom koncentracije kiseonika odnosnoredukcionih gasova. Razlozi su sledei:

• veina oksida ima ta~ku topljenja na temperaturi niòj od900 °C;

• nestabilnost strukture u redukcionoj atmosferi (ZnO, NiO);

• oksid moè da ima ta~ku topljenja iznad 900 °C, ali je njegovaotpornost velika − iznad granice prakti~nih merenja (CaO,BaO, MgO, BeO, Al2O3, SiO2);

• oksid moè da ima topljenja iznad 900 °C i prihvatljivuvrednost elektri~ne otpornosti, ali je promena otpornosti uzavisnosti A/F skoro relejnog karaktera (ZrO2, 2 700 °C; TiO2,1 640 °C; Ta2O5, 1 470 °C; Cr2O3, 1 990 °C; ThO2, 3 050 °C).

Konstrukcija. Eksperimentalno je ustanovljeno da galijum−

−arsenid (Ga2O3, 1 900 °C) najbolje odgovara zahtevima za gradnjusenzora kiseonika, koji se moè baàdariti u jedinicama odnosaA/F (slika 6.11.a). Stati~ka karakteristika R=R(A/F) ima dobrurezoluciju u okolini optimalne vrednosti (A/F)0.


Senzor A/F na bazi Ga2O3 smeten je na kuglici od visoko-temperaturnog stakla (d=1 mm) i spojen dvema elektrodama odPt/10%Rh ìce (d=0,025mm). U kuglici je smeten i greja~ od isteìce (d=0,05mm). Senzor se ugra|uje u cilindri~nu upljinu koja jenormalna na tok sagorelih gasova (slika 6.11.b).

6.3.2. Senzori vla`nosti6.3.2. Senzori vla`nosti

Vlagometrija je oblast merenja sadràja vlage (vode) u~vrstim telima, a instrumenti sa kojima se sadràj meri nazivaju sevlagomeri. Neki materijali imaju svojstvo da apsorbuju vlagu izvazduha i da ga isuuju. Merenje i regulacija vla`nosti su posebnozna~ajni u tekstilnoj, papirnoj i prehrambenoj industriji. Sadràjvlage u ~vrstim, prakastim i zrnastim materijalima definie se kaogubitak mase nastao suenjem:

%100SV1

21 ⋅−

=m

mm , (6.16)

gde su m1 i m2 masa uzorka pre i posle suenja. Ova definicija jeosnova gravimetrijske metode, pri ~emu su temperatura, vremesuenja i uslovi merenja propisani radi jedinstva i ispravnostiponovljenih merenja. Na primer, uzorak penice, mase ne manje od5g, sui se 90 min na temperaturi 130±2 °C na normalnom atmos-ferskom pritisku.


Higrometrija je oblast merenja vla`nosti gasova, a senzoripomou kojih se to meri nazivaju se higrometri. Apsolutna vla`nostD (sadràj vlage) u gasovima definie se kao masa pare mp u jedinicivolumena V:

ρ==V

pmD kg/m3. (6.17)

Apsolutna vla`nost moè da se izrazi u odnosu na masu suvogzraka:

kg/kg10 ili g/kg 3

s

p

s

p dxm

md −=

ρρ

== . (6.18)

Na osnovu jedna~ine stanja gasa i Daltonovog zakona zavazduh kao smesu suvog vazduha i vodene pare, zajedni~kogvolumena V i temperature T, moè se napisati: za suvi vazduhpsV=msRsT (Rs=0,287 kJ/kmolK), a za vodenu paru ppV=mpRpT(Rp=0,461 kJ/kmolK), pa je sadràj vodene pare:

kg/kg622,0 ili g/kg622s

p

s

p

s

p

p

px

p

p

m

md === . (6.19)

Relativna vla`nost definie se u odnosu na zasieni vla`nivazduh, tj. u odnosu na gas koji na datoj temperaturi i normalnomatmosferskom pritisku (ps=101,3 kPa) ima maksimalno moguisadràj vlage:

zp

p

zp

p

ρρ

===ϕm

mparevodenemasa

parevodenezasienemasa. (6.20)

Maksimalnom sadràju vlage mzp, pri istim uslovima, odgovarapritisak zasiene vodene pare pzp, pa se relativna vla`nost moèdefinisati i na sledei na~in:

zp

p

p

pparevodenepritisak ==ϕparevodenezasienepritisak

. (6.21)

Pritisak zasiene vodene pare pzp zavisi samo od temperaturet [°C]. To je nelinearna funkcija (slika 6.12), koja se daje tabelarno ilipribli`nim analiti~kim oblikom:

)3,238/(17,2694zp e78,610)( += tttp (6.22)


Ako se pri konstantnomvolumenu V i atmosferskompritisku pa smanjuje tem-peratura t, na nekoj vrednostikoja se ozna~avatemperaturom rose tr doi edo kondenzacije. Na dijagramu6.12 ova temperatura dobija sepovla~enjem paralelne linije saosom t sve do preseka sakrivom zasiene pare gde jepp(t)=pzp(tr). Prema tome, re-lativna vla`nost kao odnos (6.21) u ta~ki rose je:

)(

)(

zp

zp r

tp

tp=ϕ . (6.23)

odnosno, kada se pomou (6.22) uvrste odgovarajue vrednosti zapzp(tr) i pzp(t), dobija se relativna vla`nost u obliku:

+

−+=ϕ 3,2383,238

17,2694r

r

e tt

tt

. (6.24)

U tehni~koj praksi je uobi~ajeno da se relativna vla`nostizraàva u procentima.

Karakteristike senzora vla`nosti. S obzirom naraznovrsnu primenu senzora vla`nosti, postoji dosta iroka listatehni~kih zahteva za njihovu gradnju:

• dobra osetljivost u to veem opsegu vla`nosti;

• brz odziv;

• dobra ponovljivost (reproducibilnost) sa malim histerezisom;

• otpornost na kontaminante;

• izdr`ljivost i dugove~nost;

• jednostavna konstrukcija i pristupa~na cena.

Odgovoriti na sve zahteve nije jednostavno. Vodena para ivazduh ~ine binarnu smesu, pa se senzori vla`nosti mogu tretirati kao


analizatori posebne namene, koji se u tehnolokom pogledu mogusvrstati u dve velike grupe:

• standardni industrijski senzori vla`nosti napravljeni na baziklasi~nih tehnologija;

• savremeni poluprovodni~ki mikrosenzori.

Tabela 6.4. Pregled merenja vla`nosti gasova

GRUPA METODA POJEDINE METODE MERNI PARAMETAR

SPEKTRALNE, zasnivaju sena apsorpcijielektromagnetskog iliradioaktivnog zra~enja;omoguavaju merenje uirokom dijapazonu saosetljivou 0,01−2⋅10−5g/m3.

INFRACRVENAOPTI^KO−AKUSTI^KA

ULTRALJUBIÂSTARADIOAKTIVNA

Apsorpcija IC−zra~ejaApsorpcija IC, UV ili mikrotalasnogzra~enja sa modulacijom naakusti~nim frekvencijama.Apsorpcija UV−zra~enjaApsorpcija β−zra~enja

SORPCIONE, zasnivaju se namerenju parametara sorbenta~ija vrednost zavisi odmehani~kih, termi~kih,opti~kih ili elektri~nih efekatau vezi sa sorpcijom paregasa.

GRAVIMETRIJSKADEFORMACIONAVOLUMENSKATERMI^KAFREKVENTNAOTPORNI^KAKAPACITIVNAELEKTRETNA

Promena masePromena dimenzijaVolumenTemperaturaFrekvencijaElektri~na otpornostElektri~na kapacitivnostNaelektrisanje

ELEKTROLITI^KE, zasnivajuse na promeni koncentracijeelektrolita.

ELEKTROLITI^KATERMOELEKTRI^NAAMPEROMETRIJSKA

Elektri~na provodnost elektrolitaTemperaturaJa~ina struje

HEMIJSKE, zasnivaju se nareakciji agensa sa parom, pri~emu parametri produktasluè kao mera vla`nosti.

BOJATURBIDOMETARSKATITRACIONA

Promena bojeProvidnost (mutnoa)Volumen rastvora produkta izme|upare gasa i reagensa poznatogvolumena

KONDENZACIONE, zasnivajuse na merenju temperatureili pritiska zasienja.

TA^KA ROSEADIJABATSKA TA^KAROSEKOMPRESIONATERMOELEKTRI^NA

Temperatura ta~ke rosePritisak u ta~ki rose priadijabatskom irenju gasaPritisak u ta~ki roseTemperatura u ta~ki rose

ISPARIVA^KO-PSIHROMETRIJSKE,zasnivaju se na promenitemperature te~nosti priisparavanju.

PSIHROMETRIJSKA Razlika temperature suvog ivla`nog termometra

OSTALE, zasnivaju se naspecifi~nim efektima u kojimau~estvuje merena para.

AKUSTI^NADIFUZIONATERMOPROVODNAKAPACITIVNABIOHEMIJSKA

Brzina zvukaRazlika pritiskaTermi~ka provodnost pareDielektri~na konstanta dielektrikaParametar biohemijske reakcije


Metode merenja vla`nosti. Vodena para deluje na otporni~kisenzor na sli~an na~in kao i mnogi drugi molekuli, pa je zato u tabeli6.4 dat jedan uporedni pregled metoda merenja vla`nosti gasova.

Higrometar SnO2. Sve merne metode navedene u tabeli 6.4primenju se u tehni~koj praksi sa veim ili manjim uspehom. Bezobzira na kojoj metodi se temelji rad senzora, najvei problem javlja seu oblasti visoke vla`nosti kada se senzor pribliàva ta~ki rose.Adsorpcijom vodene pare nastaje i jonska provodnost to uti~e nadugove~nost senzora. Velika pa`nja danas se poklanja polupro-vodni~kim otporni~kim senzorima vla`nosti (humistor), kao to je naprimer higrometar na bazi SnO2 (slika 6.13).

Osnova senzora je od alumine na koju se dodaje osetljivi slojSnO2 koji se ina~e upotrebljava za senzore zapaljivih, reduk-cionihgasova. SnO2 je poluprovodnik n−tipa ~ija provodnost jako zavisi odrelativne vla`nosti vazduha (slika 6.13.a). Prakastompoluprovodniku SnO2 dodaje se 10% α−alumine radi stabilizacije, 5%titanijum−dioksida radi poboljanja temperaturnih karakteristika i


izvesna koli~ina organske vezivne mase. Tako dobijena pasta nanosise u potrebnom obliku preko elektroda i sinteruje pe~enjem natemperaturi od 700 °C.

Preko senzorskog sloja dodaje se filterski sloj koji spre~avaosetljivost SnO2 na zapaljive gasove, a proputa vodenu paru. Filterise naj~ee prave od alumine Al2O3 sa dodatkom Pt imangan−trioksida Mn2O3. Za poja~avanje filterskih svojstava stavljase dodatni sloj od alumine i SiO2, a zatim se oba sloja istovremenosinteruju na 650 °C.

Za svaki tip higrometra eksperimentalno se prvo odrede kriveadsorbcije i desorpcije H2O. Za senzor na bazi SnO2 optimalna radnatemperatura u tom smislu je oko 350 °C, a postiè se pomouPt−greja~a odtampanog na pole|ini osnove. Na taj na~in vla`nostmoè da se meri u uslovima kada je temperatura okoline vea od100 °C, a da ne do|e do oroavanja.

Otpornost senzora R u funkciji relativne vla`nosti ϕ jenelinearna funkcija, zavisna od temperature (slika 6.13.b). Za podru~jeϕ =20−100% i na temperaturi 25 °C to je eksponencijalna funkcijaoblika R=be-ϕ /100, koji se posle logaritmovanja moè predstaviti kaopravac:

bR log104log 3 +ϕ⋅−= − , (6.25)

gde je logb≈4,95 odse~ak na ordinati i −4⋅10−3 koeficijent nagibalog−log karakteristike.

Sa porastom temperature vrednost otpornosti se smanjuje:R=R0(1−α10−6∆t), pri ~emu je linearni koeficijent otpornostiα≈1500 1/°C. Zbog toga je neophodna temperaturna kompenzacija.Klasi~na mosna ema sa kompenzacijskim termistorom je jednostavna,ali nije uvek primenjiva (slika 6.13.c). Naime, u blizini ta~ke rose, privisokoj vla`nosti merne atmosfere, dolazi do kondenzovanja pare natermistoru i njegovog hla|enja, a time i smanjenja ta~nosti. Osim toga,termistor i senzor su dinami~ki neuravnoteèni jer je vremenskakonstanta senzora 30−120 s, zavisno od toga da li je skokovita promenarelativne vla`nosti pozitivna ili negativna. Zato se preporu~ujemodifikovana mosna ema u kojoj se automatski regulie napajanjegreja~a, odnosno radna temperatura 350 °C na osnovuPt−termootpornika u blizini greja~a (slika 6.13.d).


Higrometri od oksidne keramike. Oksidna keramika kara-kterie se velikom tvrdoom, poroznou i otporou na oksidaciju iredukciju do visokih temperatura, a dobija se pe~enjem jednog ili vieoksida. Higrometri kapacitivnog tipa na bazi Al2O3 odavno seprimenjuju. Vie pa`nje danas se posveuje senzorima na bazi spinela,sistema od dva metalna oksida: MgCr2O4−TiO4, TiO2−O5, MgAl2O4,MgFe2O4 , ZnCr2O4−LiZnVO4 i dr. Spineli imaju izvanrednu poroznost(∼20% u odnosu na ukupni volumen), ali je za higrometre va`no dapre~nik pora bude isti (∼1,5 µm) kako bi promena otpornosti uzavisnosti od relativne vla`nosti bila linearna. Eksperimentalno jeutvr|eno da dodatak grafitnog praha (10−20% teìnskih delova) usmesu koja se sinteruje omoguava da se dobiju eljene karakteristike.

Higrometar od oksidne keramike moè da se posmatra kaodvofazni sistem. Jedna faza je poluprovodni~ka keramika sa adsor-bovanim molekulima vode, a druga faza je kondenzat − tzv. kvazite~navoda koncentracije φ=ϕn. Pri niskoj relativnoj vla`nosti dominantna jeprva faza za koju je karakteristi~na elektronska provodnost, a pri veojrelativnoj vla`nosti preovla|uju druga faza i jonska provodnost. Modelkoji opisuje promenu otpornosti u zavisnosti od relativne vla`nosti jenelinearna funkcija oblika:

( )φ+φ

φ

=/11

0

ba

R

R, (6.26)

odnosno:

φ+φ−=φ

/1loglog

log0 b

a

R

R, (6.27)

gde su: Rφ i R0 otpornost na relativnoj vla`nosti ϕ i ϕ=0, a i b konstantekoje zavise od vrste keramike i veli~ine pora.

Kada je a>b, jedna~ina (6.27) se aproksimira oblikom

φ+φ=φ

b

a

R

R loglog

0

, (6.28)

koji opisuje karakteristiku sa pozitivnom osetljivou otpornosti uodnosu na vla`nost, kao to je slu~aj za Fe3O4 higrometar (slika6.14.a).


Porozni senzori na bazi spinela kobalta i gvo`|a ili magnezijumai hroma imaju negativnu karakteristiku (slika 6.14.b). Za ovaj tipporozne keramike je a<b i opti model (6.27) aproksimira se oblikom:

φ+φ−

=φ

b

b

R

R loglog

0

. (6.29)

6.4. PRIMENA ORGANSKIH6.4. PRIMENA ORGANSKIHMATERIJALAMATERIJALA

Otpornici od polimera. Polimer je ~vrsti materijal koji sesastoji od dugih molekulskih lanaca ili prostornih mreà. To suorganski materijali jer molekuli sadrè ugljenik. Struktura im jenekristalna ili meano kristalno−nekristalna, te su zbog togaveinom dobri izolatori. Od polimera se mogu praviti otpornici;najpoznatiji otpornik takvog tipa napravljen je od silikonskogelastomera, veta~ke gume bazirane na silicijumu i kiseoniku uglavnom lancu, uz dodatak ugljene praine ili nekog drugog pro-vodnog materijala.

Odre|eni organski polimeri ponaaju se sli~no polupro-vodni~kim hemirezistorima: menjaju svoju otpornost u zavisnostiod adsorpcije/desorpcije merenog gasa. Organski senzorski ma-terijal nanosi se u tankom sloju preko elektroda, na sli~an na~inkao i neorganski. Osnovne karakteristike su niska cena i visoka


ponovljivost fizi~kih karakteristika deponovanog sloja. Posebno jeva`no da postoje takvi organski materijali koji imaju izrazitoveliku promenu provodnosti zahvaljujui hemisorpciji, razmeninaelektrisanja izme|u gasa i senzora. Promene su sli~ne polu-provodniku n−tipa ili p−tipa, to zavisi od vrste materijala iprimesa. U skladu s tim, kaè se da je organski materijal n−tipajer se adsorbovani kiseonik jonizuje smanjujui naelektrisanje napovrini a time i provodnost. Suprotno, prilikom adsorpcijeredukcionog gasa dolazi do prelaska elektrona na povrinu sen-zora i porasta njegove provodnosti. Pokazalo se da su organskimaterijali naro~ito osetljivi na jako reaktivne gasove kao to jeveina otrovnih gasova.

Kao osetljivi sloj u izradi senzora gasova najvie se pri-menjuju sledei organski polimeri: ftalocijanin, polipirol, tetra−acin,β−karoten i dr.

Ftalocijanin (Pc) je organski pigment (C6H4C2N)4N4 za koji selako veù atomi metala M formirajui tako „organo−metalni“ polupro-vodnik MPc (metal−ftalocijanin), kao to su CuPc (bakar−ftalocijanin),PbPc, FePc, SnPc, ZnPc i dr. Ftalocijanini omoguavaju detekcijurazli~itih gasova: oksida azota NOX, oksida sumpora SOX,hidrogen−sulfida H2S, amonijaka, hlora, vodonika, kiseonika i vodenepare. Elektri~na otpornost ovih spojeva u mraku menja se zavisno odkoncentracije merenog gasa i odabranog MPc. Na slici 6.15.a prikazanisu odzivi tipi~nih MPc na skokovitu promenu od 100 ppbH2S u suvomvazduhu.


Osetljivost, selektivnost i reverzibilnost senzora jako zavise od~istoe Pc i izbora metala elektrode (Au, In, Ni, Ag) na koje jedeponovan osetljivi sloj. Poviena radna temperatura (60−150 °C)ubrzava adsorpciju/desorpciju to doprinosi veoj osetljivosti. Izboruradne temperature posveuje se posebna pa`nja jer se poveanjemradne temperature uvek gubi na selektivnosti senzora.

Senzorski niz za analizu smese gasova moè da se napravitehnikom tankog sloja, sa vie MPc otpornika na zajedni~komsupstratu od alumine. Na primer, na slici 6.15.b je niz sa pet senzora.Karakteristik svakog MPc projektuju se zavisno od smese gasova kojase analizira.

Elementi senzorskog niza prave se sukcesivnim tampanjempojedinih slojeva. U prvom sloju (10 µm) su Pt−senzori kojim se meriradna temperatura ispod svakog pojedinog MPc otpornika. U drugomsloju, iznad Pt−senzora, tampaju se Pt−greja~i, na dovoljnomrastojanju da se spre~i uzajamni uticaj na ta~nost regulacije tempera-ture. Zatim se postavlja dielektrik kao elektri~na izolacija izme|udonjih slojeva sa termootpornicima i greja~ima i gornjih slojeva gde seformiraju MPc otpornici. Na izolator se najpre tampaju zlatneelektrode u obliku meandra, a zatim se preko njih deponujeodgovarajui MPc. Zlato je izabrano jer daje najbolji omski kontakt sarazli~tim organskim spojevima. U poslednjem sloju tampaju seelektrodni zavreci, kontakti na koje e se dodati noìce prilikompakovanja senzorskog sistema u standardno dvoredno kuite.

LITERATURA

1. M.Egashira, Y.Yoshida, S.Kawasumi: „Gas characteristics of tin oxidewhiskers“, Sensors&Actuators, Vol.9, No2 (147−155), 1986.

2. K.S.Yoo, H.J.Jung: „Gas characteristics of semiconducting materials basedon In2O3 depending on composition changes“, Sensors&Actuators, Vol.12,No.3 (285−290), 1987.

3. D.D.Iee, B.K.Sohn: „Low power thick film Co gas sensors“, Sensors&Actuators, Vol.12, No.4 (441−447), 1987.

4. S.Yasunaga, S.Sunahara, K.Ikohura: „Effects of tetraethyl orthosilicatebinder on the characteristics of an SnO2 ceramic−type semiconductor gassensors“, Sensors&Actuators, Vol.9, No.2 (133−145), 1986.


5. G.S.V.Coles, K.J.Gallagher: „Fabrication and preliminary tests on tin(IV)oxide−based gas sensors“, Sensors&Actuators, Vol.7, No.2 (89−96), 1986.

6. G.Heiland, D.Kohl: „Problems and possibilities of oxidic and organicsemiconductor gas sensors“, Sensors&Actuators, Vol.8, No.3 (227−233),1985.

7. M.Prudenzati, B.Morten: „Thick−film sensors: an overview“, Sensors&Actuators, Vol.10, Nos.3&4 (65−83), 1986.

8. S.Mukode, H.Futata: „A semiconductor humidity sensor“, Sensors&Actu-ators, Vol.16, Nos.1&2 (1−13), 1989.

9. G.Heiland: „Homogeneus semiconducting gas sensor“, Sensors&Actuators,No.2 (343−361), 1982.

10. P.K.Clifford: „Thin solid state electrochemical gas sensor“, Sensors&Actu-ators, Vol.2, No.4 (371−384), 1982.

11. P.K.Clifford: „Characteristics of semiconductor gas sensor“, Sensors&Actu-ators, No.3 (233−254), 1982/83.

12. J.Watson: „The tin oxide gas sensor and its applications“, Sensors& Actu-ators, No.5 (29−42), 1984.

13. J.Watson: „A new approach to selective detection of gas by an SnO2 solidstate sensor“, Sensors&Actuators, No.5 (55−63), 1984.

14. T.Seyama, N.Yamazoe, H.Arai: „Ceramic humidity sensor“, Sensors& Actu-ators, No.4 (85−96), 1983.

15. R.P.Buck: „Expanding technology for sensor design and fabrication“,Electrohemica Acta, Vol.36, No.2 (243−251), 1991.

16. A.Yakada, N.Yamaga, K.Doi, T.Fujioka, S.Kusanagi: „A planar electro-chemical carbon monoxide sensor“, Journal of the electrohemical society,Vol.139, No.4 (1091−1095), 1992.

17. G.Martinelli, M.C.Carotta: „Thick−film gas sensors“, Sensors&Actuators,Vol.23, No.2−3 (157−161), 1995.

18. M.Popovi: „Semiconductor gas sensors − present state and trends indevelopment“, Proc. VI International SAUM Conference on Systems,Automatic Control and Measurements, (102−107), Ni, 1998.

19. M.H.Wesbrook: „Future developments in automotive sensors and theirsystems“, Journal of Physics E, Scientific Instrumentation, No.22 (693−699),1989.

Documents

OTPORNI^KI SENZORI GASOVA - kelm.ftn.uns.ac.rs · PDF fileenergija aktivacije pribli`no jednaka nuli. Takvi poluprovodnici imaju strukturu perovskita, na primer oksid BaFe 0,8Ta 0,2O