Princípio de funcionamento e aplicação de sensores de gás semicondutores

Princípio de funcionamento e aplicação de sensores de gás semicondutores

Os sensores de gás ocupam uma posição importante no monitoramento ambiental..

Atualmente, existem muitos métodos para monitoramento de gases por sensores, incluindo: método eletroquímico, cromatografia gasosa, método de condução de calor, método de absorção infravermelha, método de combustão por contato, método de detecção por sensores semicondutores, método de fibra óptica, etc. No entanto, considerando o alcance de aplicação, a popularidade e a praticidade dos materiais, a aplicação de sensores semicondutores para gases ocupa, sem dúvida, metade do mercado de sensores gasosos.

Primeiro, o que é um sensor de gás semicondutor?

Para entender em detalhes o que é um sensor semicondutor, primeiro precisamos saber o que é um semicondutor.

Semicondutores são materiais com condutividade intermediária entre condutores e isolantes à temperatura ambiente. São utilizados em circuitos integrados, eletrônicos de consumo, sistemas de comunicação, geração de energia fotovoltaica, iluminação, conversão de energia de alta potência e outras áreas. Por exemplo, um diodo é um dispositivo feito de semicondutores. Seja do ponto de vista tecnológico ou do desenvolvimento econômico, a importância dos semicondutores é imensa.

Em segundo lugar, a classificação dos sensores semicondutores.

Os sensores semicondutores incluem sensores de gás não resistivos e sensores de gás resistivos.

1. Os sensores de gás não resistivos utilizam principalmente alguns efeitos físicos e características do dispositivo para detectar gases, como as características volt-ampère dos diodos Schottky e a variação da tensão de limiar dos transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor.

2. O sensor de gás resistivo utiliza a variação de sua resistência para detectar a concentração de gás. Este tipo de sensor apresenta vantagens como alta sensibilidade, operação conveniente, tamanho reduzido, baixo custo, tempo de resposta e recuperação curtos, etc. A maioria dos sensores de gás semicondutores comuns no mercado são sensores de gás resistivos.

3. Princípio de funcionamento do sensor de gás semicondutor

No vácuo (sem interferência externa), existem muitos elétrons dentro do material semicondutor que podem conduzir eletricidade. Quando o semicondutor entra em contato com o ar, o oxigênio é adsorvido, capturando e fixando esses elétrons. Tomemos como exemplo o monitoramento do metano: nesse estado, se o semicondutor entrar em contato com um gás como o metano, o metano reagirá com o oxigênio, e os elétrons capturados pelo oxigênio recuperarão sua liberdade e retornarão ao semicondutor, melhorando sua condutividade elétrica. Esse processo consiste na troca de elétrons entre o oxigênio e o semicondutor. Quando os elétrons são fixados pelo oxigênio, a resistência do semicondutor aumenta; quando o metano reage com o oxigênio, ao retornar os elétrons para o semicondutor, a resistência diminui. A variação da resistência está relacionada à concentração de metano, e o teor de metano correspondente pode ser determinado medindo-se a variação da resistência do semicondutor.

Quatro. Quais materiais são adequados para sensores de gás semicondutores?

1. As matérias-primas são fáceis de obter;

2. Possui boa capacidade de adsorção de oxigênio e do gás alvo em temperaturas mais baixas, e ambos apresentam boa capacidade de reação química, reagindo nessa temperatura. O produto possui boa capacidade de dessorção;

3. Após a formação com outros materiais auxiliares, apresenta boa compatibilidade, estabilidade química e condutividade elétrica adequada em microdefeitos.

Materiais comuns que atendem a essa condição são dióxido de estanho, óxido de tungstênio, óxido de índio, metastanato de zinco, etc.

Quinto, as perspectivas futuras dos sensores de gás semicondutores.

Dentre as diversas categorias de sensores de gás, os sensores semicondutores se destacam como uma opção promissora. Isso se deve à extrema simplicidade de seu princípio de funcionamento e processo de detecção, ou seja, a informação do gás pode ser convertida em um sinal elétrico em uma única etapa; à estabilidade do meio de detecção; e ao custo relativamente baixo. Essas características não apenas abrem caminho para o seu desenvolvimento, como também garantem a viabilidade econômica de sua futura implantação em larga escala.

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