Такие детекторы реализуются на основе простых электрохимических ячеек, встраиваемых в довольно сложные измерительные системы [12]. Электрохимические ячейки, изготовленные из металлокерамических пленок, позволяют проводить потенциометрические и амперометрические измерения по количественному определению концентраций широкого спектра газов. Каталитические датчики можно разделить на электрокаталитические и фотокаталитические детекторы.
На рис. 17.9 показан электрокаталитический датчик, реализованный на основе толстопленочной электрохимической ячейки электролитного типа. Такая ячейка изготавливается методами печатного монтажа и отжига и представляет собой многослойную структуру из металлокерамических материалов, нанесенных на подложку из оксида алюминия толщиной 625 мкм. Нижний электрод толщиной 15 мкм, состоящий из платины, нанесенной на слой оксида никеля, является эталонным. Верхний чувствительный электрод толщиной 5 мкм изготовлен из платины, спеченной с пористым материалом. Два электрода отделены друг от друга слоем толщиной 25...30 мкм из твердого электролита на основе циркония, стабилизированного иттрием (YSZ). Таким образом, конечная структура датчика состоит из последовательности слоев: Al2O3\Pt\Ni-NiO\YSZ\Pt. Электрический потенциал, формируемый в таком детекторе, пропорционален натуральному логарифму отношения парциальных давлений газов, действующих на противоположные поверхности датчика. Его можно описать уравнением Нернста (уравнение (17.3)). На основе таких детекторов строятся автомобильные кислородные датчики.
нагреватель
РТД
сторона:
управление нагревателем
темометр
задняя
передняя
источник переменного напряжения
пленка
подложка
выводы
Рис. 17.9.Электрокаталитический газовый микродатчик, изготовленный на керамической подложке с нагревательным элементом и резистив-ным детектором температуры с одной стороны и толстой пленкой из твердого электролита с другой стороны
подложка
пленка
Pt электроды для измерения сопротивления пленки из ТiO2
Рис. 17.10.Фотокаталитический газовый микродатчик
При подаче на электроды внешнего напряжения инициируются химические реакции. В результате изменения напряжения газы на поверхности электродов либо восстанавливаются, либо окисляются, отдавая или забирая при этом свободные электроны (см. уравнение (17.2)). Протекающие реакции влияют на величину тока /, проходящего через пленку. Этот ток, измеряемый при помощи амперметра, зависит от приложенного напряжения и типа исследуемых газов. На его величину также оказывает влияние скорость изменения напряжения и реактивная составляющая тока, возникающего вследствие электролитического процесса . [13]. Управляя формой сигнала напряжения, можно разделить эти две составляющие, что позволяет улучшить характеристики детектора. Поскольку химические реакции зависят от температуры, для поддержания заданного уровня температуры в детектор встраивается нагреватель и датчик температуры.
На рис. 17.10 показан фотокаталитический детектор, реализованный на основе пленки из оксида титана. Когда пленка из TiO2 подвергается воздействию УФ излучения с длиной волны менее 320 нм, электрохимические процессы, протекающие в детекторе в присутствии определенных химических реагентов усиливаются, что вызывает изменение ее сопротивления [14]. Такие датчики могут работать как с одним источником излучений, так и с несколькими, настроенными на разную длину волны, что позволяет при соответствующем легировании пленок из TiO2 расширять диапазон детектируемых газов.
Настройка детекторов на конкретный химический газ выполняется как регулированием приложенного напряжения, так и изменением длины волны излучения. В электрокаталитических датчиках газы на поверхностях электродов вступают в химические реакции только при определенных, только для них характерных напряжениях диссоциации, в результате чего на регистрирующей аппаратуре будут фиксироваться всплески или падения тока, протекающего через детектор. Поскольку такие датчики могут работать только будучи встроенными в измерительные системы, они занимают промежуточное положение между простыми детекторами и составными устройствами.