Химические датчики прямого действия

По типу воздействия на электрические характеристики чувствительного элемента датчики прямого действия делятся на: кондуктометрические (переменный параметр – сопротивление или импеданс чувствительного элемента), амперометрические (переменный параметр – напряжение на паре электродов). Существует множество химических и физических реакций, на базе которых можно реализовать датчики прямого действия.

Электрохимические датчики являются самыми универсальными среди всех химических датчиков. В конструкции электрохимического датчика присутствуют электроды, между которыми протекает химическая реакция или происходит перемещение зарядов, образующихся в процессе этих реакций.

Рис. 18.4 Электрохимический первичный преобразователь и кондуктометрический прибор на его основе.

Термокондуктометр предназначен для измерения комплексной электромагнитной удельной проводимости растворов посредством измерения проводимости кондуктометрической ячейки, а также температуры посредством измерения сопротивления термометров сопротивления, (металлических датчиков, термисторов или других типов датчиков температуры) в энергетике, научных исследованиях и других областях промышленности с целью определения концентрации веществ.

Термокондуктометр предназначен для эксплуатации в стационарных, лабораторных или полевых условиях.

Металл-оксидные химические датчики газовые датчики на основе диоксида олова () являются простыми и прочными измерительными устройствами. Принцип их работы основан на свойстве некоторых оксидов металлов в присутствии определенных газов изменять свои электрические характеристики. При нагреве в воздухе кристаллов оксида металла до заданной температуры поверхность кристалла начинает адсорбировать атомы газа, например, кислорода. В результате этого поверхность кристалла становится заряженной, что уменьшает электрический ток через кристалл. При воздействии на поверхность преобразователя определенных газов происходит снижение поверхностного потенциала, что существенно повышает проводимость кристалла. В измерительной схеме таких датчиков используется чаще всего мост Уитстона. В логарифмических координатах выходная характеристика датчика линейна. По скорости изменения проводимости преобразователя можно идентифицировать газ и определить его концентрацию.

Химические полевые транзисторы реализуются на основе полевых транзисторов, на затворы которых наносятся один или несколько слоев специальных покрытий, способных реагировать на определенные химические вещества. Эти химические вещества, воздействуя на затвор транзистора, изменяют его проводимость между стоком и истоком. Величина этих изменений определяется типом химического вещества. В зависимости от типа исследуемых реагентов меняется и тип покрытия.

Устройства со стеклянными электродами работают хорошо, но громоздки, хрупки и имеют высокую стоимость. В настоящее время широко применяется новый тип рН-метров на базе полевых МДП-транзисторов. Существуют также устройства для измерения концентрации других ионов в растворе. Датчики данного типа называются ион-селективными полевыми транзисторами (ИСПТ).

Рис. 18.5 Химический полевой транзистор.

В таких устройствах, когда к затвору приложен положительный по отношению к подложке потенциал, электроны притягиваются к поверхности подложки, образуя канал с низким сопротивлением. Таким образом, потенциал затвора управляет током между истоком и стоком. Сопротивление между затвором и подложкой очень велико, так что ток через затвор пренебрежимо мал. На основе транзисторов данного типа изготавливают ионно-селективные датчики.

Рис. 18.6 Ион-селективный полевой транзистор

В таких устройствах положительные ионы (катионы) абсорбируются из раствора на пористой мембране (для повышения чувствительности), которая служит затвором. Это создает отрицательно заряженный поверхностный канал, проводящий ток между стоком и истоком. Структура транзистора может иметь подложку (р) или (n) типа в зависимости от состава измеряемой среды. Для создания активных поверхностных мембран используют разнобразные окислы для обнаружения различных ионов. Электрод сравнения используется для смещения градуировочной характеристики в рабочую точку.

МОПТ, имеющие покрытие затвора из палладия или платины, используются для создания газоанализаторов. В таких устройствах на поверхности палладия происходит диссоциация молекул водорода, которые диффундируют через покрытие и, в результате этого, граница «металл-диэлектрик» становится заряженной. При этом создается электрическое поле, которое смещает пороговое напряжение транзистора. Для увеличения быстродействия (скорость диффузии мала) используют внешний нагреватель (до 150° С).

Для определения более сложных веществ усложняют конструкцию датчиков. Например, разработаны покрытия для контроля углекислого газа, при этом в геле образуется угольная кислота, концентрация которой и измеряется. В настоящее время разработаны датчики водорода, аммиака, сероводорода, углеводородов, спиртов и др.

Устройства данного типа используют и для создания биодатчиков. При этом в качестве селективной мембраны используется органические материалы. Их можно использовать также непосредственно на живом организме.

Существуют химические полевые транзисторы, позволяющие детектировать водород в воздухе, кислород в крови, некоторые опасные для здоровья человека газы, взрывоопасные вещества.

Рис.18.7 Конструкция жидкостного химического полевого транзистора и его электрическая схема включения.