SENZORUL SEMICONDUCTOR PENTRU GAZ

1. Descrierea dispozitivului

Senzorii semiconductori pentru gaz inventati de Naoyoshi Taguchi sunt produsi si comercializati de firma Figaro incepand din anul 1968. Din 1968 pana in 1990 numai in Japonia sau utilizat 50 milioane de senzori.

Senzorul semiconductor contine un filament de incalzire care aduce la temperatura de functionare (100 400 oC) materialul semiconductor aflat pe tubul ceramic ce inconjoara acest filament.


Figura 1. Sructura unui senzor semiconductor cu bioxid de staniu.

In prezenta unui gaz reducator rezistenta electrica a substantei semiconductoare se modifica drastic chiar pentru concentratii mici de gaz. Cel mai utilizat material semiconductor sensibil la gaze este bioxidul de staniu (SnO2), o substanta relativ comuna, mult utilizata pentru glazurarea de culoare alba a portelanurilor. Multi alti oxizi sunt sensibili fata de gaze ca oxizii de fier, oxidul de zinc, oxizii de crom, etc. precum si compusii oxidici.

Materialul semiconductor este depus pe tubul ceramic din alumina (Al2O3) fie ca o pasta ce este ulterior sinterizata, fie ca film subtire obtinut prin evaporarea termica sau pulverizarea catodica in incinte vidate a substantei dorite. Pasta folosita pentru senzori se obtine prin amestecarea pulberii cu granulatie foarte fina (diametrul granulelor < 1m m) din bioxid de staniu cu un lichid care sa mentina pulberea in suspensie. Lichidul poate fi apa, dar mult mai bine este daca se foloseste un lichid de tipul uleiurilor volatile precum uleiul de lavanda si terbentina sau alcooli grei de tipul alcoolului propilic, glicerinei, etc. La uscare pasta nu trebuie sa crape, comportarea ei trebuind sa fie asemanatoare cu cea a vopselelor din comert.


Figura 2. Aspectul unui senzor semiconductor cu strat gros din SnO2.
 
 

2. Principiul de functionare

Materialul semiconductor al senzorului de gaz este de obicei bioxidul de staniu (SnO2) sub forma unei ceramici poroase. Staniul se afla in stare de oxidare maxima in bioxidul de staniu (Sn4+), existand si oxidul de staniu (SnO) unde staniul este in stare inferioara de oxidare (Sn2+). Ca regula generala oxizii superiori au deficit de atomi de oxigen, din aceasta cauza raman electroni liberi in banda de conductie de la atomii de staniu de langa care lipsesc atomii de oxigen. In acest fel SnO2 este un semiconductor de tip "n" cu o zona interzisa mare (3,6 eV).

Pe suprafata granulelor de bioxid de staniu se adsorb moleculele de oxigen care preiau electroni din banda de conductie si din aceasta cauza conductivitatea electrica la suprafata granulelor scade foarte mult. In plus suprafata se incarca negativ fata de restul semiconductorului ingreunand adsorbtia in continuare a oxigenului. Din punct de vedere energetic benzile de energie ale electronilor se curbeaza in sus , catre energii mai mari, astfel ca pozitia nivelului Fermi din interiorul semiconductorului sa coincida cu cea de la suprafata. Energia de extractie devine mai mare in prezenta oxigenului adsorbit. In acest mod se formeaza la zona de contact dintre 2 granule de SnO2 o bariera de potential ce impiedica trecerea electronilor de la o granula la alta.


Figura 3. Efectul oxigenului adsorbit asupra structurii de benzi a semiconductorului este de a saraci suprafata senzorului in electroni de conductie (formeaza o bariera de potential).

Bioxidul de staniu sub forma de film gros ceramic este materialul de baza in senzorii pentru gaze din sistemele de alarmare folosite pentru monitorizarea concentratiei gazelor inflamabile sau toxice. Conductanta acestui material de tip "n" in functie de temperatura este:

G = G0 e-e Vs / (k T)             (1)

unde:

In ecuatia (1) s-a presupus o cadere de potential pe fiecare contact intergranular mai mica decat kT/e astfel incat dependenta dintre curent si tensiune sa fie liniara (ohmica).

Nivelele donoare aflate la 0,03 0,034 eV si 0,14 0,15 V sub banda de conductie, datorate ionizarii simple sau duble a vacantelor de oxigen se presupune ca sunt complet ionizate la temperatura de lucru (sute de grade Celsius). Acest fapt face G0 practic independent de temperatura comparativ cu termenul exponential. Pe baza acestui model influenta diferitelor gaze se manifesta asupra barierei de energie eVS. Inaltimea barierei de potential eVS la suprafata semiconductorului este descrisa de ecuatia Schottky [1] :

eVS = Nt2e2 /(2ereoNd)             (2)

unde:

Conform statisticii Fermi - Dirac avem:

Nt = NS(pO2,T)e - (Et - F)/(kT)

NS(pO2,T) @ NO (apO2 )kT/Eo

unde:

In general astfel de materiale au o comportare neohmica, dependenta curent - tensiune nu este liniara. Dependenta de presiunea de oxigen a rezistentei electrice este:

R = R0 e Ea /(kT) p1/h (O2)

La temperatura de functionare a senzorului de 300 4000C, prezenta unei anumite cantitati de gaz reducator in atmosfera declanseaza reactia de oxidare a gazului pe suprafata semiconductorului. Indepartand o parte din oxigenul adsorbit,gazul reducator reduce bariera de potential si scade drastic rezistenta electrica a materialului.

Dependenta conductantei materialului de concentratia gazului reducator este de tipul:

G = G0 + g p S

unde:

Cum conductanta in aer curat (G0) este mica se poate scrie ca:

G ~ p S sau R ~ p-S

Graficul logaritmului rezistentei electrice in functie de logaritmul concentratiei de gaz reducator este o linie dreapta cu panta "- S".

Figura 4. Graficul logaritmului rezistentei electrice in functie de logaritmul concentratiei de gaz reducator.

Gazele detectabile cu senzori semiconductori sunt reducatoare (metan, propan, butan, hidrogen, alcool, acetona, benzine), toxice (CO, SO2, H2S), tehnice (freoni, NH3 ).

3. Raspunsul senzorului

Pe suprafata materialului oxidic de tip"n" (SnO2 ,WO3 ,Fe2O3 ,ZnO) se adsoarbe oxigen, care imobilizeaza un electron din banda de conductie. Un gaz reducator (H2 ,CO, hidrocarburi) prezent in aer se poate combina cu oxigenul adsorbit (ardere catalitica). Fiecare atom de oxigen ce paraseste suprafata senzorului elibereaza un electron in banda de conductie a semiconductorului, marindu-i conductivitatea. Purtatorii de sarcina generati termic sunt neglijabili fata de cei datorati impuritatilor, care in acest caz sunt vacantele de oxigen de la suprafata senzorului.

Viteza de generare a vacantelor este proportionala cu numarul ciocnirilor atomilor reducatori in unitatea de timp, pe unitatea de suprafata a semiconductorului, adica cu concentratia gazului reducator "c", dar si cu numarul pozitiilor ocupate de oxigen "nOx" pe unitatea de suprafata a oxidului semiconductor [2].

Viteza de anulare a vacantelor de oxigen va fi proportionala cu concentratia de oxigen "cOx", dar si cu numarul vacantelor pe unitatea de suprafata "n". Combinand cele doua tendinte gasim urmatoarea relatie pentru numarul vacantelor de oxigen de la suprafata semiconductorului :

dn/dt = AnOxc - BncOx

unde A si B sunt constante fenomenologice. Numarul total de pozitii N ocupabile de oxigen pe unitatea de suprafata a semiconductorului ramane constant, adica:

nOx + n = N

La echilibru dn/dt = 0 de unde rezulta :

n = cAnOx / (BcOx)

adica conductanta senzorului va fi proportionala cu concentratia gazului reducator "c" daca c<<cO deci n<<N si nO @ N.

Solutia generala a ecuatiei este [3] :

n(t) = [cAN /(Ac+BcOx)][1- e - (Ac+BCox) t ]

care cu aproximatia precedenta la timpi mici are forma :

n(t) = cANt

Din cele expuse rezulta urmatoarele concluzii:

BcOx <BcOx+Ac



4. Circuitul electric

Sensibilitatea mare la gaz a senzorului semiconductor face posibila utilizarea unor circuite simple pentru interfatarea lui.


Figura 5. Circuit simplu de alarmare la prezenta gazului periculos.

Alimentarea senzorului se face de la o sursa de tensiune stabilizata, de obicei de 5V (tip 7805 sau 7905). Circuitul de sesizare este realizat prin inserierea unei rezistente R de valoare corespunzatoare cu senzorul si supravegherea tensiunii in punctul comun al rezistentei senzorului Rs si rezistentei R. Valoarea rezistentei trebuie aleasa astfel ca:

Exemplu:

Rezistenta electrica a senzorului in aer curat este 20kW .

Rezistenta electrica a senzorului in aer cu 0,5% metan este 5kW .

Curentul prin rezistenta senzorului va fi :

5V = (RS + R) I => I = 5V/ (RS + R)

care impreuna cu conditia impusa pentru alarmare :

R I = 1V (tensiunea de alarmare) => I = 1V/R

fixeaza valoarea rezistentei R :

I = 1V/R = 5V/ (RS + R) => R = RS /4 = 1,2 kW .

In varianta a doua amplificatorul operational AO1 aplica pe rezistenta senzorului RS o tensiune constanta, cea de deschidere a diodei D, UD 0,65 V prin intermediul curentului I1 injectat cu tranzistorul T1.


Figura 6. Circuit cu amplificatoare operationale cu tensiunea de iesire proportionala cu conductanta senzorului (inversul rezistentei electrice).

Acest curent este preluat ca o cadere de tensiune pe rezistenta R de intrarea "+" a operationalului AO2. Curentul prin tranzistorul T2 este comandat de AO2 astfel ca potentialele pe intrarile "+" si "-" sa fie egale:

RI1 = R1I2 .

Caderea de tensiune pe rezistenta R2 va fi:
U2 = R2I2 = UD(R2/R1)(R/RS)

proportionala cu inversul rezistentei senzorului. Se asigura in acest fel un raspuns al circuitului mult mai aproape de liniaritate si un domeniu de masurare mai larg.

5. Bibliografie

  1. V. Lantto, P. Romppainen, S. Leppavuori, "A study of the temperature dependence of the barrier energy in porous tin dioxide", Sensors & Actuators, 14, (1988), 149-163
  2. S.E. Fredericks, R.S. Scott, "Design for a combustible gas measuring circuit", Rev. Scientific Instruments, 46 (6), 657, (1975)
  3. N.M. Barlea, M.L. Barlea, "Model de functionare a senzorilor semiconductori pentru gaze", Sesiunea de comunicari stiintifice "Tineretul - valorile stiintifice si tehnice actuale si de perspectiva", Bistrita 11 - 13 octombrie 1988, program lucrarea 30.