Разработана система, позволяющая формировать в измерительной камере прямоугольные импульсы концентрации анализируемых газов с длительностью фронтов не более долей секунды. Дано описание методики исследований и вычисления постоянной времени на уровне 90% от максимального значения проводимости как при нарастании концентрации t0.9­, так и её спаде t0.9Ї.

Динамические параметры и чувствительность газовых сенсоров изучены в газовых смесях воздуха с метаном, водородом и окисью углерода в диапазоне температур 300...600°С при двух значениях концентрации газов: 20 ppm и 0,1% об. для метана, 100 ppb и 1000 ppm для водорода и 5 и 98 ppm для окиси углерода. Установлено, что зависимость чувствительности сенсоров от концентрации характеризуется максимумом, а динамические параметры сенсоров не зависят от концентрации газов. Установлено, что зачехление чипов приводит к снижению быстродействия сенсоров примерно в 2–4 раза. Оптимальным режимом для всех изученных сенсоров является интервал температур 450...500°С, в котором динамические параметры достигают своих минимальных значений. Для анализа метана рекомендован сенсор на основе толстых пленок SnO2+3% Pd с каталитическим слоем из окиси алюминия, для регистрации водорода пленки состава SnO2+3% La2O3, а для регистрации окиси углерода сенсор на основе SnO2 + 1%Sb2O5 + 3% La2O5.


Быстродействие и чувствительность газовых сенсоров к тем или иным газам являются параметрами, определяющими, по-существу, их практическую применимость. Измерению чувствительности сенсоров, в том числе толстоплёночных металлооксидных, посвящено большое число публикаций в отечественных и зарубежных журналах и в трудах различных конференций. Не остались в стороне от этого процесса и авторы работы – только за последние 5–7 лет нами опубликовано не менее 10 работ, в которых изложены результаты экспериментальных исследований чувствительности и концентрационных зависимостей толстоплёночных сенсоров к метану, водороду, пропану, сероводороду и другим газам. В работах представлено краткое описание наших экспериментальных установок и методик измерений.

Вопросам исследования быстродействия сенсоров и методикам корректного определения этого параметра уделено гораздо меньше внимания. Как правило под параметром «быстродействие» подразумевается начало реагирования сенсоров на появление газов в атмосферном воздухе, которое естественно исчисляется единицами секунд. На самом деле быстродействие и начало реагирования далеко не тождественны. Многие известные фирмы по производству газовых сенсоров и газоанализаторов (например, японские фирмы «Фигаро» и «Риккен Кейки») это прекрасно понимают и указывают в графе «быстродействие» постоянную t0.9 , равную времени, в течение которого сигнал нарастает до значения 90% амплитуды при скачкообразной подаче на сенсор импульса концентрации анализируемого газа. Из такого определения быстродействия следует, что для его измерения требуется достаточно сложная газовая аппаратура, обеспечивающая формирование и подачу импульса концентрации газа и соответствующую регистрацию отклика сенсора. Кроме того, не указывается другой, не менее важный, динамический параметр — способность сенсора восстанавливать свои показания при снятии концентрации газа. Этот параметр является такой же постоянной времени t0.9 с той лишь разницей, что соответствует времени, за которое сигнал достигает 10 % значения показаний в воздухе при таком же скачкообразном спаде концентрации газа и подаче на сенсор импульса чистого воздуха. Таким образом, применительно к газовым сенсорам должны быть использованы два динамических параметра, наиболее корректно и объективно характеризующих их свойства — постоянная времени t0.9­ при нарастании концентрации анализируемого газа и t0.9Ї — при спаде концентрации газа. Введение нового параметра, как показали наши измерения, не лишено оснований – постоянные времени t0.9 при нарастании и спаде концентрации газов в действительности нередко заметно отличаются друг от друга.

Авторы выполнили большой комплекс исследований динамических параметров и чувствительности толстоплёночных металлооксидных сенсоров к наиболее распространённым и актуальным с точки зрения экологии и взрывобезопасности газам. Проведена модификация действующей в РНЦ «Курчатовский Институт» газодинамической установки, что позволило одновременно проводить измерения динамических параметров и чувствительности сенсоров. На основе ЭВМ разработана электронная методика регистрации показаний сенсоров при подаче на него прямоугольного импульса концентрации анализируемого газа. Описана методика обработки опытных данных, дающая наглядное представление о быстродействии и чувствительности сенсоров, а также достаточно оперативно позволяющая определить наиболее оптимальный температурный режим их работы применительно к конкретным условиям эксплуатации. Исследована также зависимость быстродействия и чувствительности сенсоров с различными составами газочувствительных слоёв от температуры их нагрева в диапазоне от 300 °С до 600 °С при двух сильно различающихся по величине концентрации анализируемых газов как в открытом варианте сенсоров, так и в сенсорах, упакованных в защитном металлическом колпачке с взрывобезопасной металлической сеткой на торце. Авторы на данном этапе исследований не ставили перед собой задачи всесторонне изучить зависимости параметров сенсоров от влажности газовой среды, хотя этой проблемы мы касались в прежних наших работах. Поэтому все исследования, чтобы отчасти «уравнять» сенсоры, анализируемые газы и температуру окружающей среды, проводились в сухих газовых средах с практически нулевой влажностью.

Весь полученный материал предполагается разместить под одним общим названием в двух частях. В первой части будет дано описание экспериментальной установки и методики обработки опытных данных. Здесь же будут представлены результаты исследований по быстродействию и чувствительности к трём нерастворимым в воде газам – метану, водороду и окиси углерода. Во второй части мы планируем представить экспериментальные результаты по трём-четырём растворимым в воде газам, таким как, аммиак, сероводород, этиловый спирт и, возможно, самим парам воды.