Чувствительность полупроводникового сенсора на основе оксидов цинка и кобальта к воздействию метана

Интерес к сенсорам метана, несомненно, вызван их широким применением в экологии, хими­ческой, газовой, нефтехимической промышленности и технике безопасности [1, c. 9; 2, c. 50].

Свойство газочувствительности в полупровод­никовых материалах проявляется в изменении сопротивления (R) или электрической проводимости (σ) материала при воздействии на газочувствительный материал (ГЧМ) анализируемого газа с известней концентрацией. Изменение сопротивления (проводимости) происходит в результате ряда последовательных поверхностных физико-химических процессов. Протекающие адсорбционные процессы связаны с изменением электронного состояния поверхностных и приповерхностных атомных слоев, что приводит к изменению поверхностной проводимости ГЧМ.

Чувствительность пленки оксида кремния, образующейся в результате гидролиза тетраэтокси­силана (ТЭОС) к метану, повышается при введении в ее структуру оксида цинка. Более чувствительные сенсоры метана получаются при использовании смешанных оксидов кремния цинка и кобальта. Как правило, один из оксидов, первый (ZnO), является основным по массе, а другой (CoO), добавленный в небольших количествах в объем структуры первого оксида, или нанесенный каким-либо способом на его поверхность, позволяет улучшить газочувствительные свойства пленочного материала и рабочие характеристики сенсора газа в целом. Для получения композиционного газочувствительного материала легирование производилось на этапе созревания золь-гель растворов добавлением хлорида кобальта из расчета 1–10 масс. % CоO, которое обладает высокой каталитической активностью в процессе окисления метана. После нанесения пленок на подложку проводилась термообработка в атмосфере кислорода. Результаты исследования чувствительности пленок на основе ZnO легированной CoO в процессе определения метана приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты исследования чувствительности пленок на основе SiO₂/ZnO-CoO в процессе определения метана (n=5, P=0,95)

Из результатов экспериментов следует, что добавленние к ГЧМ в количестве от 1 до 10 % CoO обеспечивает повышение его чувствительности к метану. Добавленние к ГЧМ на основе SiO₂/ZnO в количестве 1 % CoO приводит к увеличению чувствительности сенсора метана на 1,5 раза (таблица 1). Дальнейшее увеличение содержания СоО в ГЧМ до 5 и 10 % повышает чувствительность сенсора к метану соответственно на 3,6 и 5,7 раза. Более чувствительные сенсоры метана получаются при использовании смешанных оксидов цинка и кобальта, где содержание СоО в ГЧМ 10 %.

Исследование градуировочной характерис­тики полупроводникового сенсора метана проводилась в интервале концентрации метана 50–1500 мг/м3. при температуре 375⁰С. К преиму­ществам градуировочной характеристики на основе отношения сопротивлений R_возд/_.R_газ относится возможность проведения на ее основе сравне­ния различных сенсоров при аналогичных условиях. Этот способ удо­бен при отображении изменений в эксплуатационных характеристиках одного сенсора в различных рабочих условиях.

Использование проводимости в качестве измеряемого параметра имеет по срав­нению с определением сопротивления преимущество, заключающееся в более наглядном представлении градуировочной характеристики, что используется при разработке схемы обработки сигнала газоанализатора. Кроме этого, элек­трические характеристики сенсора зависят от физической структуры чувстви­тельного слоя и определяются режимами его формирования.

В экспериментах в широком интервале концентрации метана исследована зависимость сигнала сенсора от содержания легирующей примеси (СоО) в ГЧМ. Для сравнения была получена нелегированная силикатная пленка (SiО₂/ZnO). При этом было установлено, что сенсоры газов на основе пленок состава SiО₂/ZnO-CoO проявляют высокую чувствительность к метану. В таблице 2 представлена зависимость сигнала сенсора от концентрации метана при температуре 375^оС.

Таблица 2.

Зависимость сигнала полупроводникового сенсора от концентрации метана при температуре 375^оС