Принцип роботи ГД даного типу базується на зміні електричного опору деяких напівпровідникових матеріалів при адсорбції токсичних газів. Принципова схема датчика наведена на рисунку 3.10. Він складається із керамічної основи, на якій прикріпляються два електроди, між якими, в свою чергу, наноситься напівпровідниковий оксид металу (наприклад, SnO2).
Якщо газ проходить над шаром цього оксиду (d@150 нм), то його електричні властивості будуть змінюватися. За допомогою місткової схеми ці зміни провідності перетворяться в зміну напруги. Кожний матеріал оксидної плівки має різну робочу температуру, тобто ту температуру, при якій газ розкладається на поверхні плівки (наприклад, у H2S на поверхні SnO2 вона дорівнює 200оС). Інколи для збільшення чутливості оксидів їх легують атомами Cu, Al, Nb, V, Ti та ін. Рисунок 3.11 ілюструє робочу характеристику датчика на основі SnO2 при аналізі газу H2S.
Постійне погіршення екологічної обстановки стимулює розроблення нових ГД для контролю складу того чи іншого газового середовища. Широкого поширення набули датчики, робочим елементом яких є плівкові напівпровідникові матеріали, що мають високу чутливість, селективність аналізу та стабільність у роботі. На сучасному етапі розвитку сенсорної техніки основна увага звертається на відтворення властивостей плівкових структур, можливість управління їх властивостями у процесі виготовлення, сумісність технології їх виготовлення з технологією мікроелектроніки, низька ціна при серійному випуску. При цьому наукові розробки ведуться як на традиційних матеріалах – SnO2, Si, пористий Si, так і на нових, які раніше не використовувалися. Це – WO3, потрійні халькогенідні склоподібні матеріали AIBi(Ge)CVI (де А – К, Na; C – S, Se), багатошарові плівкові системи.
Рисунок 3.11 – Робоча характеристика ГД на основі SnO2 при аналізі H2S і залежність вихідного сигналу від температури поверхні SnO2
Одним із принципових питань формування газочутливого елемента на основі плівки SnO2 є те, що вони стають чутливими лише після відпалювання в атмосфері кисню. Це пов’язано із тим, що відразу після осадження SnO2 плівка має або аморфну, або гетерофазну (Sn + SnO + SnO2) структуру, яку необхідно упродовж багатьох годин гомогенізувати шляхом відпалювання в атмосфері кисню при високих температурах.
Дослідження, проведені останніми роками, показали, що при магнетронному осадженні SnO2 в атмосфері Ar-O2 плівки SnO2 мають кристалічну будову (решітка типу рутила) і високу газочутливість, яка досягає свого максимуму при співвідношенні атомів Ar до кисню, як 1 до 3. Таким чином, можна отримати чутливі елементи ГД при низьких температурах (tп@170оС).
Останнім часом дослідники проявляють велику зацікавленість до газочутливих властивостей аморфних плівок WO3(a-WO3), які використовуються при фіксації одного із найбільш токсичних газів NO2. Оскільки а-WO3 надзвичайно пористий матеріал, то він проявляє властивість об’ємного механізму чутливості в результаті утворення воднево-вольфрамових бронз HxWO3 при дисоціативній абсорбції H2, аміаку, спиртів, тобто донорних газів. У той самий час для газів акцепторного типу (наприклад, CNx), за винятком О2, має місце поверхневий механізм взаємодії з a-WO3, який, як і напівпровідниковий SnO2, має n-тип провідності. Коли електровід’ємні молекули NO або NO2 досягають поверхні a-WO3, SnO2, вони захоплюють електрон із зони провідності і хемосорбуються на поверхні. Приповерхневі шари чутливого елемента збіднюються на електрони, внаслідок чого збільшується опір. Чутливість a-WO3 дуже суттєво залежить від умов конденсації і температури навколишнього середовища. Оптимальними є такі параметри: товщина плівки 50-500 нм (розмір ОКГ~1 нм), tп@230оС, температура вимірювання 210-230оС. Подібні оптимальні умови для плівок SnO2 в літературі не описані.
Принцип роботи пасивного дозиметра на основі газочутливої плівки AIBi(Ge)CVI полягає в такому. Тонка плівка товщиною 0,8-1,2 мкм конденсується на скляну підкладку у вакуумі 10-3 Па при кімнатній температурі. При дії на плівку атмосфери повітря із домішками NO2 відбувається окислення окремих компонент, у результаті чого збільшується коефіцієнт пропускання (Т) світла у видимому діапазоні (рис. 3.12). Величина Т вимірюється за допомогою спектрофотометра. Час спрацювання цього датчика дорівнює 1 год. і приблизно такий самий час для проведення спектрометричних досліджень та обробки результатів. Для порівняння зазначимо, що час спрацювання ГД на основі SnO2 при аналізі H2S складає приблизно 7-8 хв, що набагато менше порівняно із попереднім датчиком.
Рисунок 3.12 – Спектр оптичного пропускання аморфних плівок KBi3S5. Концентрація NO2, мг/м3: 1-0; 2-1; 3-103. Дані роботи [12] О.Й. Бомк та ін. дослідили можливість для реєстрування аміаку за допомогою контактної плівкової структури Ti/Si. Було встановлено, що вона має чутливість до адсорбції аміаку в атомах кисню і кремнію, які входять до складу перехідного шару межі поділу. Цей процес обумовлює зміну діелектричної проникності перехідного шару, що чітко фіксується на вольт-амперній характеристиці. Такий ГД має переваги, оскільки дуже дешевий порівняно з іншими напівпровідниковими датчиками і забезпечує сумісність кремнієвої технології зі створенням активного елемента на тому самому матеріалі, що й схема оброблення інформації. Поряд із цим певну проблему становлять вакуумні умови отримання плівки Ti(Р@(3-6)?10-8 Па) товщиною d @ 8 нм.
Надзвичайно важлива проблема - створення ГД для реєстрації хлорофторовуглеців (фріонів), оскільки забруднення атмосфери фріонами має глобальний характер (руйнація озонного шару). Для реєстрації деяких фріонів (CF3CH2F та CCl2FCClF2) використовують металооксидні напівпровідники типу V/Mo/Al2O3/ZnO або SnO2, але їх недолік у тому, що вони реагують не тільки на фріони, але й на інші гази. Деяке покращання селективності до фріонів досягається за рахунок легування плівкової структури атомами S. Більш ефективною виявилася структура Pt/LaF3/Si3N4/SiO2/Si, але сенсори на її основі мають низьку робочу температуру (t @ 180оС). Це викликано з тією обставиною, що ширина забороненої зони Si(De= 1,15 еВ) в одиницях температури не більша 200оС. З цієї причини Si замінюється на широкозонний (De = 2,90 еВ) SiC, що дозволяє підвищити робочу температуру до 530оС і створити більш ефективний датчик фріонів.
