7.6. Полупроводниковые газовые сенсоры

Золотов Юрий Александрович
Академик РАН

 

Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров заключается в изменении электрических характеристик некоторых оксидов металлов при сорбции на их поверхности тех или иных газов. Величина электрического сигнала соответствует числу молекул, сорбированных из окружающей среды или появившихся на поверхности сенсора за счёт гетерогенной химической реакции. Хотя изменение электрофизических характеристик оксидов при абсорбции газов было известно ранее, мысль использовать этот эффект для определения концентрации газов была одновременно высказана Г. Хайландом [17] и И.А. Мясниковым [18]. Предыстория использования полупроводниковых сенсоров в химическом анализе (а точнее, история создания самих полупроводниковых сенсоров) кратко была освещена в книге И.А. Мясникова и др. [19]:

«Необходимость использования электронных представлений для решения ряда физико-химических задач, возникающих при исследовании гетерогенных процессов, была осознана Писаржевским уже в начале 20-х годов [20], а некоторые нетривиальные идеи о влиянии адсорбции на электрофизические свойства полупроводниковых адсорбентов были заложены в классических работах Иоффе [21], Рогинского [22] и других исследователей. Дальнейшее теоретическое развитие эти идеи получили в трудах Волькенштейна и его учеников (см. монографию [23] и содержащийся там список литературы), а также в работах Хауффе [24] и ряда других.*{Ссылки на другие публикации Хауффе и статьи «ряда других» опущены. – Ю.З.}

Главная идея Ф.Ф. Волькенштейна – основоположника электронной теории хемосорбции – заключалась в том, что хемосорбированная частица и твердое тело представляют единую квантовомеханическую систему, при анализе которой необходимо учитывать изменения электронного состояния как адчастицы, так и самого адсорбента [23]. Другими словами, адсорбция в этом случае представляет собой химическое соединение молекул с адсорбентом».

А теперь приведём выдержку из той же книги (с. 23), относящуюся уже к собственно химическим (газовым) сенсорам:

«Идея,... заключающаяся в возможности контроля состава окружающий полупроводник газовой атмосферы, исходя из анализа изменений его электрофизических характеристик, насколько нам известно, впервые и практически одновременно была высказана Хайлендом [17] и Мясниковым [18]. Именно эта идея и явилась основой ныне широко распространенного метода полупроводниковых сенсоров.

Основная посылка высказанного в этих работах предложения заключалась в следующем: детальное изучение изменений электрофизических характеристик полупроводникового адсорбента, обусловленных адсорбцией определённого газа в достаточно широком интервале давлений последнего, делает возможным решение обратной задачи об определении концентрации этого газа в окружащем адсорбент объёме по вызванному его присутствием изменению электрофизических характеристик адсорбента».

Многие, занимающиеся газовыми сенсорами, считают родоначальником этого направления японскую группу, опубликовавшую свои работы в 1962 г., т.е. позднее Хайланда и Мясникова.

Остаётся добавить, что данное направление получило мощное развитие, опубликовано огромное число работ, книги, фирмы производят разнообразные газовые сенсоры.