Тема 13. Датчики для специальных применений.

Химические сенсоры (датчики) - чувствительные миниатюрные устройства, реагирующие на изменение содержания химического компонента в анализируемой смеси веществ.

Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.

Химический преобразователь состоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент: он способен отражать присутствие определяемого компонента и изменение его содержания. Физический преобразователь – трансдьюсер – преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и/или электронного устройства.

В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:

• электрохимические (потенциометрические, кулонометрические и др.);

• электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.);

• магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы. );

• термометрические;

• оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);

• биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.).

Для повышения избирательности на входном устройстве перед химически чувствительным слоем размещаться мембраны, которые селективно пропускают частицы определяемого компонента (ионообменные, гидрофобные и другие пленки).

Датчики радиоактивного излучение.

Действие всех разработанных датчиков радиоактивности основано на эффектах, возникающих в результате взаимодействия излучений (альфа, бета, гамма, нейтронного, рентгеновского) с газообразными, жидкими или твердыми веществами. Радиоактивность обнаруживается по наличию ионизирующего излучения. Оно является результатом взаимодействия продуктов ядерного распада (частиц или электромагнитного излучения) с определенной средой. В результате взаимодействия продукты распада теряют свою энергию, что приводит к образованию разноименных носителей заряда - ионов или электронов и дырок. Направленное движение зарядов легко преобразуется в электрические сигналы, связанные с характеристиками радиоактивности.

Рис 12. Структурная схема датчика радиоактивности.

Нашли применение три типа наиболее распространенных датчиков радиоактивности:

• полупроводниковые;

• прямого заряда;

• с ионизационной камерой.

Счетчики Гейгера-Мюллера – газоразрядный прибор для автоматического подсчѐта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролѐте ионизирующей частицы через объѐм газа. Такие счѐтчики отличаются от остальных ионизационных камер использованием более высоких напряжений возбуждения. Его недостатком является его большие размеры

Рис. 13. Счетчик Гейгера-Мюллера

Полупроводниковые датчики радиоактивности. В датчиках этого типа чувствительным элементом является обедненная носителями электрического заряда зона полупроводника. Проходя через эту зону энергия излучения продуцирует новые носители зарядов. Количество возникающих зарядов связано с характеристиками радиоактивного излучения. Конструктивно полупроводниковая структура датчика состоит из двух соединенных полупроводников с различными типами проводимости. В полупроводниках р-типа носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в полупроводниках n-типа – отрицательно заряженные электроны. Зона контакта на границе их соединения называется электронно-дырочным переходом или запретной зоной. В обесточенном состоянии (рис.14 ) дырки и электроны диффундируют через переход в противоположных направлениях. При этом на границах своей зоны электроны, покидая ее, оставляют положительный заряд, а дырки – отрицательный. Этот слой оставленных зарядов своим электрическим полем перекрывает пути мигрирования электронов и дырок.

а б

Рисунок14. Распределение носителей заряда а) без внешнего поля; б) в эл-ом поле

Внешнее электрическое поле концентрирует дырки у отрицательного электрода, а электроны – у положительного. Благодаря этому узкая граница перехода превращается в широкую, свободную от носителей зарядов зону. Ширина этой зоны определяется величиной приложенного «концентрирующего» напряжения. Это обедненная носителями зона, в ней «обитают» только атомы исходных полупроводников и примесей. Сформированная таким образом зона чувствительна к ионизирующему излучению. При прохождении через чувствительную зону ионизирующего излучения (рис.19) в ее объеме формируются новые электронно-дырочные пары. Они перемещаются к соответствующим электродам, создавая ток во внешней цепи. Величина этого тока пропорциональна энергии ионизирующего излучения.

Рис.15 - полупроводниковый датчик радиоактивности.

Вне зависимости от механизма формирования пар электрон-дырка на создание одной пары первичная заряженная частица затрачивает одинаковую среднюю энергию, которую часто по аналогии с газоразрядными детекторами называют «энергией ионизации». Основное достоинство полупроводниковых детекторов заключается в очень малой величине этой энергии. Ее значение для кремния и германия составляет порядка 3 эВ, тогда как в газовых детекторах энергия, необходимая для создания ионной пары, равна 30 эВ. Поэтому при одной и той же мощности исходного излучения в полупроводниковых детекторах возникнет в 10 раз большее количество носителей зарядов.