Czujniki
konduktometryczne

czyli przewodnościowe

Czujniki
konduktometryczne

W sensorach konduktometrycznych

wykorzystuje się

zmianę przewodnictwa

powierzchniowego lub objętościowego
warstwy receptorowej.

Zmiany

przewodnictwa

(lub

oporności

)

warstwy

receptorowej

następują

w

wyniku

adsorpcji

cząsteczek analitu na jej powierzchni i
są proporcjonalne do stężenia analitu.

Czujniki
konduktometryczne cd.

W przypadku gazów mierzona

zmiana przewodnictwa jest
proporcjonalna do ciśnienia
cząstkowego oznaczanego gazu.

W sensorach z membraną

przepuszczalną dla gazów oznacza się
przewodnictwo r-ru wodnego , w którym
dysocjują cząsteczki analitu.

Schemat czujnika
konduktometrycznego

Budowę sensorów konduktometrycznych

można przedstawić następująco

Elektroda
metaliczna
(1)

Elektroda
metaliczna
(2)

Selektywna
warstwa
receptorowa

Działanie sensora

Przewodnictwo takiego układu może

być mierzone na obu końcówkach w
systemie mostkowym lub określane na
podstawie zmian płynącego prądu przy
zadanej różnicy potencjałów.
Sensory

konduktometryczne

można

stosować jedynie w środowiskach

nie

przewodzących

tj. w gazach lub nie

przewodzących próbkach ciekłych.

Rodzaje sensorów
konduktometrycznych



Czujniki półprzewodnikowe



Chemirezystory



Czujniki membranowe

Półprzewodnikowe sensory
konduktometryczne

Zasada działania

Sygnał

analityczny

półprzewodnikowych

sensorów konduktometrycznych jest funkcją
stężenia

gazów

zaadsorbowanych

na

powierzchni

warstwy

półprzewodnikowej

wykonanej z tlenków metali (SnO

2

, TiO

2

, ZnO,

ZrO

2

) lub ich mieszanin domieszkowanych

katalizatorami i aktywatorami. Tlenki te
adsorbują gazy redukujące ( CO, CH

4

, NO,

NO

2

, parę wodną) co wpływa na zmianę

właściwości elektrycznych ich powierzchni, a
więc na przewodnictwo całej warstwy.

Zasada działania cd.

Zmiana

przewodnictwa

warstwy

receptorowej

pod

wpływem

zaadsorbowanego gazu wynika z jego
akceptorowego

lub

donorowego

oddziaływania

na

powierzchniowe

warstwy

atomowe

półprzewodnika.

Zjawisko to prowadzi do zubożenia lub
akumulacji nośników : elektronów (dla
tlenków typu n) i dziur (dla tlenków typu
p).

Zasada działania cd.

W wielu sensorach stosuje się spiek

sproszkowanych tlenków i wtedy mamy
do czynienia z ceramiczną warstwą
receptorową. W wyniku adsorpcji gazu
na powierzchni tej warstwy wytwarza
się

bariera

potencjału.

Dla

przewodników typu n bariera ta jest tym
wyższa (przewodnictwo niższe) im
większa jest gęstość jonów tlenu O

-

na

powierzchni ziarna.

Zasada działania cd.

Jeśli w mieszaninie gazowej będącej w

kontakcie z półprzewodnikiem typu n
nastąpi wzrost stężenia tlenu to
przewodnictwo

sensora

maleje.

Natomiast

obecność

gazów

redukujących (np. H

2

, CH

4

) zmniejsza

gęstość powierzchniowych jonów O

-

, a

więc przewodnictwo czujnika wzrasta.

Budowa czujników
półprzewodnikowych

Zjawiska na granicy fazowej półprzewodnika w

istotny

sposób

zależą

od

temperatury

szczególnie w przypadku osadzania lub

odparowania

wody

wytwarzanej

ma

powierzchni sensora przy oddziaływaniu z

gazami

redukującymi.

Dlatego

sensory

konduktometryczne pracują w podwyższonej

temperaturze. Zapewnia to

odwracalność

reakcji

ma powierzchni sensora,

zwiększenie

szybkości

działania sensora i uzyskanie

odpowiedniej

selektywności

( gdyż czujniki te

charakteryzują się niską selektywnością).

Poprawę selektywność
sensora uzyskuje się
poprzez:



odpowiedni dobór składników warstwy
receptorowej (tlenków metali,
katalizatorów i aktywatorów) oraz



domieszkowanie jej substancjami o
podwyższonym powinowactwie do
analitu



dobór temperatury pracy czujnika



odpowiednią technologię wykonania
warstwy chemoczułej ( ma to także
wpływ na czułość sensora)

Konstrukcja

Przykład sensora w

kształcie walca: warstwa
półprzewodnikowa z
domieszkowanego SnO

2

(zaopatrzona w złote
kontakty) naniesiona jest
na rurkę ceramiczną z
tlenku glinu, wewnątrz
której znajduje się
grzejnik gazowy.

Konstrukcja cd.

Zastosowanie nowoczesnej mikrotechnologii

krzemowej pozwala na opracowanie

scalonych sensorów gazów , w których ma

strukturze półprzewodnikowej umieszcza

się warstwę receptorową , grzejnik ,

termoparę oraz element przetwornikowy.
Układy takie utrzymują stałą temperaturę

pracy czujnika (kilkaset ºC), co zapewnia

maksymalną czułość w stosunku do analitu.

Zastosowanie sensorów
półprzewodnikowych

Czujniki te znalazły zastosowanie jako

detektory:



gazów łatwopalnych,



par toksycznych,



pożaru w przemyśle (głównie
chemicznym i wydobywczym), wojsku,
transporcie, w domach i hotelach

Chemirezystory

Chemirezystory

wykorzystują

wysokie

powinowactwo niektórych substancji w
fazie gazowej (np. pary rtęci, halogenki,
siarkowodór) do cienkich warstw metali
szlachetnych takich jak

złoto, srebro

czy

platyna.

Przykładem chemistora jest czujnik par

rtęci.

Czujnik par Hg

Zbudowany jest z ceramicznego podłoża z

naparowanym filmem złota o gr. 7- 40 nm
jako warstwą receptorową.

Zasada działania

Po przyłożeniu do elektrod napięcia w

cienkiej

warstwie

złota

następuje

przepływ

elektronów.

Adsorpcja

cząsteczek gazowego analitu na
powierzchni

filmu

złota

powoduje

rozpraszanie

strumienia

nośników

ładunku

i

spadek

przewodnictwa

elektrycznego.

Właściwości chemistorów



Czułość czujnika zależy od grubości
filmu (maleje ze wzrostem grubości)



Wykazują niską selektywność, którą
można modyfikować temperaturą

Zamiast warstwy metali szlachetnych

stosuje się metale przejściowe (Ni, Ti,
Cu) pokryte tlenkami oraz filmy z
polimerów przewodzących.

Membranowe sensory
konduktometryczne

W sensorach tego typu układ detekcyjny

jest oddzielony od gazowego analitu
półprzepuszczalną membraną.

Oznaczany gaz dyfunduje przez

membranę do r-ru wewnętrznego
(najczęściej woda), gdzie ulega
dysocjacji, powodując zmianę jego
przewodnicwa np. CO

2

, SO

2

.

Parametry sensora

Na właściwości czujnika membranowego

(takie jak: granica wykrywalności,
czułość, czas odpowiedzi) ma wpływ

wielkość stałej dysocjacji

odpowiedniego

kwasu (powstałego w wyniku
rozpuszczenia gazu w wodzie) oraz

rozpuszczalność analitu

w r-rze

wewnętrznym.

Dla sensora CO

2

CO

2

+ H

2

O HCO

3-

+ H

+

K

a

= 4.4x10

-7

t< 100s, nie ma efektu akumulacji analitu

w roztworze wewnętrznym.

Gorzej jest dla SO

2

SO

2

+ H

2

O

 HSO

3-

+ H

+

K

a

= 1.3x10

-2

t- znacznie wydłuża się, występuje efekt

akumulacji

Konduktometryczna
elektroda Severinghausa



Problem zbierania się
analitu rozwiązano stosując
periodyczną recyrkulację r-
ru wewnętrznego. Po
etapie pomiaru r-r
przepuszcza się przez złoże
wymieniacza jonowego.
Uzyskuje się wtedy stałą
wartość tzw. linii
podstawowej i eliminuje
efekt pamięci sensora.