Загальна характеристика адсорбційних чутливих елементів

1.2 Загальна характеристика адсорбційних чутливих елементів

Провідними в галузі розробки і виробництва адсорбційних чутливих елементів (газочутливих елементів) є японські фірми FІGARO та FІS [4, 5]. Елементи цих фірм широко використовуються в багатьох країнах світу для створення на їх основі приладів і систем контролю за станом оточуючого природного середовища.

АЧЕ поділяються на категорії залежно від газу, що визначається. В табл. 1.1 наведені прийняті в світовій практиці категорії АЧЕ за цією ознакою.

За способом виготовлення серійні АЧЕ можна поділити на дві групи: з прямим і непрямим підігрівом.

АЧЕ з прямим підігрівом виготовляються з напівпровідникового матеріалу з нагрівником, розташованим безпосередньо в напівпровіднику. Вони виготовляються шляхом пресування і спікання металооксидних порошків в суміші із зв’язуючими матеріалами і можуть мати форму кулі, таблетки або прямокутного тіла. Технологія їх виготовлення близька до відомої технології виготовлення термісторів. Перевагою таких АЧЕ є відносна простота виготовлення, недоліком – інерційність, пов'язана з швидкістю дифузії газу в напівпровідник, недостатня механічна міцність.

Таблиця 1.1 – Класифікація АЧЕ по газам, що детектуються.

Крім того, при зміні температури оточуючого середовища порушується електричний зв'язок між вимірювальним і електричним колами, що вимагає введення в вимірювальну схему додаткових схемних розв'язок [6].

Вказаних недоліків позбавлені АЧЕ з непрямим підігрівом, які в свою чергу, бувають пластинчатими (рис. 1.1) та трубчатими (рис. 1.2). Вони відрізняються більшою відтворюваністю і стабільністю параметрів. Такого типу АЧЕ розробляються і в Ужгородському національному університеті.

Рис. 1.1 АЧЕ пластинчатої конструкції

Рис. 1.2 АЧЕ трубчатої конструкції

Серійні АЧЕ, як правило, виготовляються у вигляді конструктивно завершених виробів, із стандартним розташуванням виводів. Для захисту від вибуху використовуються спеціальні сітки, армовані пластмасою або металом.

1.3 Адсорбційні чутливі елементи нового покоління

Останнім часом з’явились АЧЕ, що працюють в режимі циклічної зміни температури, при якому робоча температура змінюється періодично між двома специфічними станами: високою температурою (В) – для очищення поверхні напівпровідникового газочутливого шару АЧЕ і низькою температурою (Н) – для детектування певного газу.

При використанні цього режиму роботи можна досягти високої чутливості АЧЕ до того чи іншого газу з хорошою селективністю і відтворюваністю сигналу завдяки тому, що поверхня чутливого елемента очищується при високій температурі в кожному циклі. Прикладами практичної реалізації цього режиму роботи є елемент SB-50 японської фірми FIS, у якого термоочистка здійснюється через кожні 15 с і триває протягом 5 с [4]. Принцип роботи такого АЧЕ показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Принцип роботи АЧЕ-СО

Характерною особливістю АЧЕ нового покоління є використання їх разом з мікропроцесорами, які керують їх роботою, враховують вплив оточуючого середовища, перш за все температури, та формують вихідні сигнали, або спеціальні модулі з нормованими сигналами (pre-calіbrated module). Мікропроцесори виконують також такі спеціальні функції:

–          забезпечення режиму роботи нагрівника,

–          компенсація температурних впливів,

–          функція сигналізації,

–          функція пам’яті для калібрування,

–          затримка сигналізації,

–          формування керуючих вихідних сигналів тощо.

Особливої уваги заслуговують двокомпонентні АЧЕ, які дають змогу одночасно визначати наявність в повітрі двох газів – метану та оксиду вуглецю. В основу їх роботи покладено той факт, що, як видно з рис. 1.4 оптимальні робочі температури газочутливого шару, необхідні для визначення оксиду вуглецю і метану, суттєво відрізняються. При робочій температурі приблизно 400 °С сенсор реагує на метан і практично не реагує на оксид вуглецю, а при робочій температурі приблизно 100 °С – навпаки.

Рис. 1.4 Температурна залежність опору АЧЕ в повітрі та при наявності метану та чадного газу.

При роботі АЧЕ в режимі циклічної зміни робочої температури можли­во визначати два гази: при низькій температурі (Н) – оксид вуглецю, а при високій (В) – метан, як показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5 Принцип роботи двокомпонентного АЧЕ.