آموزش فیزیک وبسایت آموزش فیزیک
امروزه شرکت های متعددی در زمینه ساخت حسگر های گاز فعالیت دارند. در میان حسگرهای گازی موجود، «حسگرهای مقاومتی گاز» (RGS) برای چندین دهه به خاطر آشکارسازی گازهای قابل اشتعال و سمی، اهمیت فراوان یافته اند. حسگرهای مقاومتی، تراکم ذرات را بوسیله ی تغییر مقاومت (هدایت) الکتریکی ثبت می کنند. علت شهرت این حسگرها بنام مقاومتی نیز به همین خاطر می باشد. این حسگرها عمدتاً از نیمه هادی های اکسید فلزی(همچون SnO2 , ZnO2 , Fe2O3) ساخته می شوند. از سال های قبل مشاهده شده بود که اتم ها و مولکول های گاز با سطح نیمه هادی واکنش داده باعث تغییر خواص سطحی آن می شوند. لیکن اندیشه استفاده از نیمه هادی ها به عنوان حسگرهای گاز به سال ۱۹۵۳ بر میگردد که براتین و باردین در آزمایشگاه بل به هنگام کار بر روی ژرمانیوم اثر حساسیت به گاز را در آن عنصر مشاهده کردند. بدنبال مشاهدات این دو، محققین دیگری به بررسی نقش اتمسفر گازی بر هدایت الکتریکی نیمه هادی ها پرداختند. حدود ده سال بعد سیاما حساسیت نیمه هادی های اکسید فلزی را به برخی از گازها گزارش نمود. در همان سال تاگوشی اختراع سنسورهای گاز بر اساس اکسید های فلزی را به ثبت رساند. در سال ۱۹۶۸ در شرکت فیگارو که شش سال قبل از آن توسط تاگوشی بنیان گذاری شده بود، تولید انبوه حسگر های گاز برپایه SnO2 حسگرهای گاز تاگوشی آغاز شد.
از آن تاریخ به بعدعلاوه بر بهبود حسگرهای اکسید قلع، اثر احساس گاز در دیگر نمه هادیهای اکسید فلزی پیشنهاد گردید. به دلایل فنی ، حسگرهای فلزی مبتنی بر SnO2 در کاربردهای عملی، از اهمیت ویژه ای برخوردارند. هدایت الکتریکی در حسگرهای اکسید قلع همانند همه ی نیمه هادی های نوع n، در حضور گازهای احیا کننده، همچون H2، CO، هیدرو کربن ها و بنبان های الکلی افزایش می یابد. گرچه حسگر های SnO2 ارزان اندو حساسیت بسیار بالایی نیز به طیف وسیعی از گازهای احیا کننده از خود نشان می دهند، با این حال از معایبی همچون عدم داشتن حساسیت انتخابی و جابجایی پاسخ نیز رنج می برند.
حسگرهای مقاومتی گاز لایه نازک:
عمومآ، یک RGS لایه نازک از ذرات پراکنده بسیار ریز که به ص.رت فشرده قرار گرفته اند شکل گرفته است. بر این اساس یک لایه شبه پیوسته شکل می گیرد. با این تعریف می توان یک RGS را یک تک کریستال در نظر گرفت که ناحیه ی تخلیه ای به ضخامت Xo در سطح آن به وجود می آید. شکل زیر فرض کنیم هدایت ویژه نمونه σ باشد و t، L و W نیز به ترتیب ضخامت، طول و پهنای نمونه باشند. همچنین فرض می کنیم که تنها یک سمت نمونه در معرض گاز قرار داشته باشد، در آن صورت خواهیم داشت:
G=σ(Wt/L)(1-xo)
ملاحظه می شود که اگر xo به t نزدیک باشد، هدایت به xo حساس خواهد بود. از طرفی دیگر داریم:
dG/G=-d xo /(t- xo )
با حضور یک عامل احیایی xo تغییر می کند.
حسگر های مقاومتی گاز لایه ضخیم:
در مقابل یک RGS لایه ضخیم ترکیبی از دانه ها با اتصال مرزدانه ای ضعیف و اندازه های متغیر می باشند. این نوع حسگرها دارای خلل و فرج محسوسی می باشند. شکل زیر یک حسگر لایه ضخیم متخلخل را نشان می دهد. تشریح هدایت در حسگرهای لایه ضخیم مشکل می باشد. این توصیف زمانی مشکل تر می شود که به دانه ها اجازه تفجوشی نیز داده شود. تفجوشی ابتدائاً برای برقراری استحکام مکانیکی صورت می گیرد. تفجوشی سبب می شود که دانه ها در یکدیگر نفوذ کرده تشکیل گردنه بدهند. در شکل مربوط نمونه ای از دانه ها با اتصال مرزدانه و گردنه را می توان مشاهده کرد. برای داشتن هدایت، الکترون باید از یک دانه به دانه ی دیگر حرکت کند. ولی هردانه سد پتانسیلی (ناحیه تخلیه ای) در سطح دارد که الکترون باید برای عبور بر آن غلبه کند. فرض می کنیم که ارتفاع سد برای همه دانه ها مقدار ثابت –qΨs باشد. چگالی حامل ها در سطح را از ضریب بولتزمن می توان بدین صورت محاسبه کرد:
Ns=NDexp(qΨs/kT )
فرض می کنیم که سطح اتصال دانه ها و تعداد اتصالات میان دانه ای در ضریب خطی کمتر حساس G0ظاهر شود. بنابراین از معادله بالا داریم:
G=1/R= G0 exp(qΨs/kT )
در این وضعیت حساسیت بدین دلیل رخ می دهد که الکترون ها باید از سد –qΨs عبور کنند. بنابراین، هدایت به صورت نمایی با ارتفاع سد تغییر می کند. این وضعیت را می توان با وضعیت حسگر لایه نازک مقایسه کرد که در آن هدایت به صورت خطی با x0 و x0 با ریشه دوم –qΨs تغییر می کند. ملاحظه می شود که در اینجا هدایت به Ψs حساس تر می باشد.برای یافتن رابطه ای بین هدایت، G، و تراکم گاز، C، می توان با این فرض که R=-α/ns و با مشتق گیری داریم:
S=-{1+(1-2aR/b)-۱}/۲
که در آن:
aΞk-1Ns bΞα(k1[O2]-k۲Ns)
بنا بر این اگر داخل پرانتز در معادله بالا کوچک باشد s=-1/2 یعنی مقاومت به صورت ریشه دوم تراکم گاز تغییر می کند.
