MỤc lục I. TỔng quan về MÀng hóa dùng làm cảm biến khí (trang 1)



tải về 7.74 Mb.
trang1/22
Chuyển đổi dữ liệu26.04.2018
Kích7.74 Mb.
#37234
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22


CHK18 MÀNG HÓA



MỤC LỤC

I. TỔNG QUAN VỀ MÀNG HÓA DÙNG LÀM CẢM BIẾN KHÍ (trang 1)

II.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG HÓA (trang 13)

III. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÀNG (trang 25)

IV. ỨNG DỤNG CỦA MÀNG NHAY KHÍ (trang 39)

I. TỔNG QUAN VỀ MÀNG HÓA DÙNG LÀM CẢM BIẾN KHÍ

TỔNG QUAN: VỀ CẢM BIẾN KHÍ OXIT BÁN DẪN

GIỚI THIỆU:

Cảm biến khí oxit bán dẫn là loãi cảm biến khí đơn giản và được quan tâm nhất đối với dụng cụ cầm tay. Chúng có những ưu điểm như: kích thước gọn, chế tão đơn giản, giá thành thấp. Tuy nhiên có một số hạn chế khó tránh khỏi về tính chọn lọc và độ nhạy, độ ổn định kém.

Tính chất quan trọng của vật liệu cảm biến bán dẫn là sự thay đổi tính chất điện khi tiếp xúc với khí cần dò. Nguyên lý dò khí của cảm biến khí theo cơ chế bề mặt là sự thay đổi tính chất điện của vật liệu khi đặt trong môi trường không khí và môi trường có khí cần dò. Những tương tác rắn-khí trên bề mặt ảnh hưởng tới mật độ điện tử, từ đó làm thay đổi điện trở của vật liệu. Hai đặc tính quan trọng của cảm biền khí đó là độ nhạy và tỉ lệ giữa thời gian phản ứng và thời gian phục hồi của cảm biến. Việc pha tạp kim loại hay oxit kim loại có thể khắc phục những nhược điểm này.

Các oxit bán dẫn được ứng dụng trong các thiết bị cảm biến với nhiều dạng, trong đó màng mỏng là dạng phổ biến nhất. màng mỏng có thể chia thành hai nhóm màng mỏng đơn tinh thể và đa tinh thể. Màng mỏng đơn tinh thể không được sử dụng rộng rãi cho ứng dụng cảm biến vì điện trở của chúng không được kiểm soát bởi biên hạt và sự thay đổi điện trở là không đáng kể khi tiếp xúc với khí. Trong khi đó, màng mỏng đa tinh thể rất phù hợp cho ứng dụng nhạy khí, bởi vì sự trao đổi điện tích qua biên hạt là quá trình chủ yếu kiểm soát điện trở màng và chính quá trình này chi phối cơ chế nhạy khí của cảm biến.



ĐỊNH NGHĨA:

Cảm biến là thiết bị nhận tín hiệu hoặc sự kích thích từ đối tượng và chuyển thành tín hiệu điện.

Tín hiệu đầu ra của cảm biến thường là tín hiệu điện. Đây là kết quả của quá trình xử lý tín hiệu chỉ dành riêng cho các thiết bị điện. với định nghĩa này, cảm biến sẽ chuyển đổi các tín hiệu cơ học, tín hiệu hóa, tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện để đưa vào sử dụng với các mạch điện.

Thiết bị cảm biến là một hệ phức tạp bao gồm: bộ cảm biến, bộ xử lý tín hiệu, bộ điều phối tín hiệu, thiết bị nhớ và bộ khởi động. Tuy phức tạp nhưng các thành phần cấu tạo có thể được chia thành 3 nhóm khác nhau: đầu tiên là bộ cảm biến, thứ hai là bộ tiếp nhận tín hiệu, thứ ba là bộ chuyển đổi tín hiệu. Thành phần thứ hai nhận tín hiệu điện của bộ cảm biến và tiến hành xử lý như khuếch đại tín hiệu, chuyển đổi thành tín hiệu số. Thành phần thứ ba sẽ chuyển đổi tín hiệu sô một lần nữa ra tín hiệu điện, chuyển vào hệ đo và hiển thị độ lớn của giá trị đo trên màn hình.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG:


    1. CẤU TẠO:

Cấu tạo đơn giản của một thiết bị cảm biến khí bao gồm màng oxit bán dẫn phủ trên đế chịu nhiệt có thể là thủy tinh hoặc kim loại, hai điện cực để thu nhận tín hiệu thay đổi điện trở khi khí tiếp xúc với màng oxit bán dẫn

    1. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG:

Cảm biến khí bán dẫn có thể chia thành hai loại hoạt động theo cơ chế khối và cơ chế bề mặt. Loại thứ nhất: tính hợp thức khối của vật liệu bị thay đổi vì sự tương tác giữa pha rắn với pha khí, loại cảm biến này làm việc ở nhiệt độ cao. Loại thứ hai: hiện tượng hấp phụ khí dẫn đền sự thay đổi độ dẫn bề mặt của vật liệu được sử dụng cho việc dò khí. Khi đó khuếch tán vào trong khối là không cần thiết mà chỉ xảy ra phản ứng bề mặt, loại cảm biến này thường làm việc ợ nhiệt độ thấp hơn cảm biến khối.

Ta xét cơ chế nhạy khí bề mặt:

Những oxit bán dẫn như ZnO, SnO2, WO3,… được gia nhiệt trong không khí khoảng 2000-3000C có khả năng phản ứng với các loại khí oxi hóa hoặc khí khử dẫn đến tính chất điện của vật liệu thay đổi. nguyên nhân của sự thay đổi này là do sự tương tác của các phân tử khí với bề mặt màng.

Quá trình nhạy khí được mô tả như sau:

-Hấp thụ và khếch tán những phân tử khí trên bề mặt oxit bán dẫn, điều này phụ thuộc nhiệt độ của môi trường.

-Phản ứng của các phân tử khí dò và các phân tử bị hấp phụ hóa học trên bề mặt cảm biến.



Chính sự tương tác này làm thay đổi tính chất điện của vật liệu, dẫn đến thay đổi tín hiệu nhận được của thiết bị, trong trường hợp oxit bán dẫn thì đólà sự chênh lệch về điện trở trước và sau khi tiếp xúc với khí dò.

Khi các phân tử khí dò khuếch tán vào lớp bề mặt oxit bán dẫn, chúng có xu hướng bám chặt lên bề mặt màng. Quá trình này được gọi là sự hấp phụ. Sự hấp phụ gồm hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. với hấp phụ vật lý, các nguyên tử liên kết với bề mặt chỉ với lực liên kết yếu( Vanderwaals). Hấp phụ hóa học là loại liên kết mạnh giữa các nguyên tử với bề mặt oxit, loại liên kết này sẽ làm thay đổi cấu trúc bề mặt. liên kết hóa học có thể xảy ra đối với phân tử hoặc nguyên tử. Hấp phụ hóa học thường xảy ra sau quá trình hấp phụ vật lý khi được cung cấp nặng lượng hoạt hóa ( thông thường là nhiệt năng). Mô hình hợp lý hóa trạng thái của cảm biến trong môi trường đo được đề xuất bởi Mark và những cộng sự được mô tả như sau:





Oxi hấp phụ trên bề mặt và rút electron từ oxit bán dẫn tạo thành . Sự rút electron này dẫn đến việc hình thành vùng nghèo điện tích gần bề mặt làm tăng khả năng dò khí của cảm biến( hình 2)

Với sự có mặt của khí dễ cháy như Hydro, chất khí phản ứng với và trả lại electron cho bán dẫn, làm giảm điện trở. Lúc này xuất hiện sự cạnh tranh giữa oxi rút electron và khí cháy trả lại electron cho bán dẫn. Vì nồng độ oxi trong môi trường là hằng số, nên ở điều kiện ổn định, giá trị điện trở phụ thuộc vào nồng độ của khí cháy. Những phản ứng cạnh tranh được minh họa như sau:



góp mặt càng nhiều, mật độ càng giảm dẫn đến mật độ electron tăng trong bán dẫn. Vì vậy điện trở của màng bán dẫn thấp.



tải về 7.74 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22




Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2024
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương