Полупроводниковые газовые датчики концентраций метана и пропана на основе поликристаллических пленок SmS

В работе приведены экспериментальные данные по детектированию микропримесей пропана и метана в атмосферном воздухе, полученные с помощью полупроводниковых газовых датчиков, размещенных во взрывозащитных корпусах. В качестве рабочих материалов датчиков использовались тонкие пленки моносульфида самария, изготовленные по золь-гель технологии. Показана возможность измерения концентраций пропана и метана с помощью одного датчика путем изменения его рабочей температуры.

Кл. сл. : сульфид самария, газовые датчики, метан, пропан, золь-гель метод

ВВЕДЕНИЕ                   щался в герметичном фторопластовом контейнере, соединенном с газосмесительной установкой под-

На протяжении последних 20–30 лет исследования механизмов и принципов работы полупроводниковых химических газовых сенсоров проводятся весьма интенсивно, тем не менее вопрос об их селективности в различных газовых смесях не решен однозначным образом [1]. На практике это привело к ограничению их массового применения, хотя преимущества полупроводниковых химических газовых сенсоров очевидны: миниатюрность датчиков, дешевизна их изготовления, а также доступность технологий и материалов. Современный этап развития научных исследований в этой области газового анализа стимулирует поиск новых принципов детектирования газовых примесей, а построение интеллектуальных цифровых систем диктует разработку новых подходов к методам детектирования газов. На решение задачи увеличения селективности газовых сенсоров и направлено представленное исследование.

ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ

Исследования проводились на слоях сульфида самария (SmS), полученных золь-гель-методом по технологии, подробно описанной в [2].Толщина пленок составляла ~ 10 мкм. В процессе экспериментов проводились измерения электропроводности рабочего резистора газового датчика в чистом воздухе и воздухе с примесью метана и пропана, концентрации которых задавались с помощью сертифицированной газосмесительной установки "Микрогаз-ФМ". Корпус ТО-8 (во взрывозащищенном исполнении) с газовым датчиком разме- водящими и отводящими газовыми магистралями. Полезный сигнал с датчика регистрировался с использованием стандартного 20-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), управляемого с персонального компьютера. Нагрев газочувствительного слоя с регистрацией текущей температуры поверхности газового детектора осуществлялся автономным платиновым закрытым нагревателем в диапазоне температур от 100 до 500 ˚C.

Результаты измерений представлены на рис. 1, а, и рис. 1, б, для метана и пропана соответственно. Здесь показан разностный сигнал изменения электропроводности датчика в атмосферном воздухе и в воздухе с примесью измеряемого газа при различных температурах. В датчиках концентрации газов резистивного типа оптимальной рабочей температурой является та, при которой электропроводность полупроводникового слоя изменяется под действием измеряемого газа в наибольшей степени. На рис. 1, а, и рис. 1, б, это максимумы экспериментальных кривых. Полученные в эксперименте оптимальные температуры детектирования молекул метана и пропана равны 475 и 435 ˚С соответственно.

Сделанные нами оценки газовой чувствительности датчиков на основе SmS, применяемых при детектировании молекул пропана и метана, показывают, что чувствительность к пропану несколько выше, чем к молекулам метана. Для иллюстрации этого на рис. 2 представлены калибровочные кривые для метана ( Т = 475 ˚С) и пропана ( Т = = 435 ˚С).

а

б

T , ºC

Рис. 1. Температурные зависимости изменения электропроводности резистора газового сенсора на основе SmS по сравнению с ее значениями в чистом атмосферном воздухе при различных концентрациях метана (а) и пропана (б). Концетрации в об.% на а: 1 — 0.265, 2 — 0.200, 3 — 0.151, 4 — 0.101;

на б: 1 — 0.705, 2 — 0.512, 3 — 0.304, 4 — 0.103

Рис. 2. Калибровочные кривые сенсора на основе SmS для метана (1) и пропана (2)

ВЫВОДЫ

Из результатов работы можно сделать вывод, что измерение пропана и метана возможно с помощью одного и того же датчика на основе SmS. Измерять концентрацию того или иного газа при этом можно, изменяя температуру детектирования: метан — Т = 475 ˚С, пропан — 435 ˚С. Следует отметить, что ранее пленка SmS использовалась нами для детектирования кислорода, при этом рабочая температура составляла 150 ˚С [3]. Таким образом, изменяя температуру детектирования, можно в смеси различных газов селективно определять концентрацию каждого из них. По-видимому, этот принцип пригоден для селекции не только CH 4 , C 3 H 8 и O 2 , но и различных других газов.

С.А. Казаков, М.А. Гревцев и Н.В. Шаренкова благодарят Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ), грант № 18-03-00660 A, за частичную поддержку данной работы.