CC BY
58
МОНИТОРИНГ ПАРОГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ
Д.В. Русских, зам. нач. кафедры, к.т.н., А.И. Котов, научный сотрудник, Е.О. Павлов, курсант 2-го курса Воронежский государственный технический
университет, г. Воронеж
Газоанализаторы горючих газов предназначены для использования в ситуациях, когда существует риск для жизни или собственности, вызванный возможным скоплением парогазовоздушных смесей горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей. Они дают возможность снизить риск путем обнаружения горючего газа, выдачи соответствующего звукового или светового предупреждающего сигнала, могут применяться для инициирования мер предупреждения аварии, таких, как остановка работ на предприятии, эвакуация персонала и действия по предотвращению пожара.
Газоанализаторы могут быть использованы для определения объемной доли горючих газов, меньшей нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР), в условиях, когда возможно увеличение содержания горючих газов до взрывоопасного уровня. Общие технические требования к газоанализаторам горючих газов установлены в [1].
Дополнительный риск для жизни представляет токсичность некоторых газов и паров всех жидкостей, кроме воды. Как правило, не учитывается, что все горючие пары токсичны при содержании их в воздухе, гораздо меньшем значений соответствующих НКПР. Газоанализаторы, на которые распространяется действие ГОСТ Р 52350.29.1, не предназначены специально для обнаружения токсичных веществ, и, как правило, требуются дополнительные меры предосторожности для защиты технического персонала при возможном их воздействии [2].
На сегодняшний день одним из наиболее перспективных направлений микроэлектроники считается разработка полупроводниковых датчиков газов, которые применяют для определения газов в широком диапазоне концентраций, в том числе очень низких, однако их характеристика преобразования нелинейна, как правило, они неизбирательны, чувствительны к изменениям влажности и неопределяемым компонентам, для них характерны дрейф как нулевых показаний, так и чувствительности.
Принцип работы полупроводниковых датчиков основан на изменении электропроводности, вызванном хемосорбцией молекул определяемого компонента на поверхности нагретого (вплоть до 500 0С) чувствительного элемента, находящегося в воздухе.
Таким образом, снижение температуры максимальной газовой чувствительности и энергопотребления, а также повышение стабильности и
избирательности полупроводниковых датчиков газов является актуальной проблемой.
Целью работы являлось исследование электрофизических и газочувствительных свойств пленок-нанокомпозитов на основе диоксида олова, как перспективного материала для изготовления чувствительных элементов полупроводниковых датчиков газов.
Наиболее важным параметром, влияющим на газовую чувствительность пленок диоксида олова, является его микроструктура. Для того чтобы увеличить величину газовой чувствительности и снизить максимальную температуру чувствительности, необходимо уменьшить размер зерна пленки. Этого можно добиться с помощью температурной обработки, легирования диоксида олова и создания композитов на его основе.
На физико-химические свойства полупроводников сильное влияние оказывают примеси в кристаллической решетке. Этот эффект зависит от механизма введения примеси (атомы примеси могут замещать атомы вещества в узлах кристаллической решетки или внедряться в межузельное пространство) и от валентности атомов (ионов) примеси. В случае замещающей примеси ионы валентностью +5 и выше являются донорами, а ионы с зарядом +3 и ниже являются акцепторами, любые положительные межузельные ионы играют роль доноров [3].
Исследование влияния примеси на свойства SnO2 [4, 5] позволило сделать вывод о том, что действие примесей заключаются в следующем: в увеличении электропроводности SnO2; понижении температуры максимальной газовой чувствительности; увеличении газовой чувствительности; обеспечении селективности при измерении концентрации в смеси газов.
Установлено, что легирование плёнок Бп02 иттрием и марганцем позволяет снижать температуру максимальной газовой чувствительности более, чем в два раза. На Рис. 1. приведены графики зависимости газовой чувствительности плёнки Бп02, легированной иттрием в количестве 4,7 ат.% от температуры к парам этанола, ацетона, изопропилового спирта и формальдегида в воздухе. На графике справа обозначены температуры максимальной газовой чувствительности к тем же газам нелегированных пленок Бп02.
<D
и н о
tfi on
1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1
0
T, 0C
50 100 150 200 250 300 350 400
-♦—этанол 3416 ppm -а—изопроп.спирт 2604 ppm
ацетон 2711 ppm формальдегид 2604 ppm
Рис. 1. Температурные зависимости газовой чувствительности пленки-композита SnO2 : (2,8 ат.%) Y2O3. Справа отмечены температуры максимальной газовой чувствительности для нелегированных пленок SnO2
Список использованной литературы
1. ГОСТ Р 52350.29.1-2010 (МЭК 60079-29-1:2007) Взрывоопасные среды. Часть 29-1. Газоанализаторы. Общие технические требования и методы испытаний газоанализаторов горючих газов.
2. ГОСТ Р 52350.29.2-2010 (МЭК 60079-29-2:2007) Взрывоопасные среды. Часть 29-2. Газоанализаторы. Требования к выбору, монтажу, применению и техническому обслуживанию газоанализаторов горючих газов и кислорода.
3. R^kas M., Szklarski Z. Defect chemistry of antimony doped SnO2 thin films / M. R?kas, Z. Szklarski // Bull. Polish Academy Sci. Chem.-1996.-V.44.-№ 3.-P.155-177.
4. Гутман Э.Е. Влияние адсорбции свободных атомов и радикалов на электрофизические свойства полупроводниковых окислов металлов / Э.Е. Гутман // Журнал физической химии. - 1984. - Т. LVIII. - Вып.4. - С. 801 -821.
5. Киселев В.Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках / В.Ф. Киселев. - М.: Наука, 1970. - 399 с.
