Хим.сенсор - это прибор, предназначенный для контроля за сод-ем в окр. среде частиц того или другого сорта. Принцип действия такого прибора осн. на эффекте преобразования величины сорбции опред-ых частиц непосредственно в электр. сигнал, пропорциональный кол-ву частиц, сорбированных из окр.среды или же появившихся на поверхности чувствительного элемента сенсора благодаря гетерогенной каталитической реакции. Для хим. анализа различных жидкостей наиболее часто исп-ся потенциометрические и амперометрические сенсоры. Потенциометрические сенсоры. Электроды, равновесный потенциал которых в растворе электролита, содержащем определенные ионы обратимо и избирательно зависит от конц-ции этих ионов, называются ионоселективными. Их используют для определения конц-ции различных ионов в электролите. Осн. эл-том всех типов ионоселективных электродов является проницаемая преимущественно для данного вида ионов мембрана, на которой создается потенциал.М/уобластями, разделенными мембраной, возникает разность электрохимических потенциалов, связанная с различием активности ионов. В результате перемещения ионов из одной области в другую наблюдается разность потенциалов, компенсирующая перемещение.Электрохимический потенциал иона А с любой стороны мембраны равен:
µ*(А)=µс+kTlna(A)-eZAV где µ*- хим. Потенциал иона А, µс – стандарт. хим. Потенциал, а- активность иона А, ZA– заряд иона А, V – внешний потенциал.
В условиях равновесия получается µ1=µ2. Откуда можно получить уравнение Нернста для внутренней разности потенциалов:
Для получения достоверной величины 
необходимо привести в равновесие эл/хим. потенциалы р-ров и эл/хим. потенциалы электродов т.е. установить омические контакты м/у металлом и раствором. Кроме того необходимо поддерживать постоянную температуру или точно ее знать. На практике обычно измеряют t-ру и поддерживают постоянной активность с одной стороны мембраны.
Для создания химических сенсоров используют 2 типа мембран, чувствительных к ионам. Мембраны образуют либо фарадеевый (неполяризуемый), либо нефарадеевый (поляризуемый) переход.
В случае фарадеевого перехода ионочувствительная мембрана поддерживает процесс переноса ионов только 1 сорта. Преимуществом фарадеевой мембраны явл-ся то, что обмен м/у ионселективным носителем происходит посредством хорошо известных хим. реакций. Если в такой мембране будут происходить вторичные окислительные реакции и будут наблюдаться помехи.
Поляризуемый переход можно определить как такой, который не поддерживает стационарного тока.В случае структуры диэлектрик-полупроводник происходит накопление заряда на мембране, т.е. образование поверхностного дипольного слоя, который изменяет потенциал м/у мембраной и раствором. Если дипольный слой образуется на границе раздела раствор-мембрана, то изменяется потенциал и объемный заряд. Нефарадеевую мембрану изготавливают из SiO2, Si2O3, Fe2O3 и др
59. Тепловые сенсоры (ТС). Принцип действия осн. на регистрации изменения теплофизических хар-к чувствит элементом в рез-те внешнего воздействия(напрхимреакц). Среди ТС наиб распрполуч пироэлектрические (ПС) и термокаталитические. Пироэлектричество-явление возникнповерхн-го заряда у нек кристаллов при применении к ним внешнего теплового воздействия вдоль соот-х кристаллографических направлений. Тепловое воздействие на кристалл вызывает изм-ие его тем-ры, кот приводит к перемещ ионов в решетке, в рез-те чего образуется поверхностный заряд-полож на одной стороне кристалла и отриц на другой. Т.о, скорость изм-я средней тем-ры пироэлектрической структуры опр-ет в-ну возникающего на кристалле заряда и, если пироэлектрический коэф-т мало зав-т от тем-ры, пироэлектр-ий элемент можно исп-ть для контрля потока тепловой энергии. Пироэлектр-е сенсоры явл микрокалориметрами. В кач-ве выходного сигнала в таких датчиках исп-ют изм-иенапряж-я или изм-я тока между электродами. В качестве пирроэл. Элемента исп-т LiTiO3, т.к. он обладает пирроэл. Коэф-том достаточно постоянным в широком интервале температур. Нагревательный электрод исп-ют для введения в систему регулируемого кол-ва тепла, отсюда линейноеизм-ие тем-рыдатчика с некоторой постоянной скоростью. Один из электродов датчика покрывается кат-ом или сделан из активного металла(Ni,Pt) для протекания реакции окисления(или термодесорбции) детектируемых газов, в рез-те кот выд-ся или поглощается нек кол-во тепла, что приводит к изменению выходного сигнала.
Формы сигнала сенсора
Диф.сигнал (зав-ть сигнала сенсора от времени при линейном нагреве) сод-т всплески, каждый из кот соот-т какой-либо реакции, протекающей на kat при опред темп-ре. Термокат-е сенсоры работают на эффекте изм-я электрофизсв-в чувств-го элемента в процессе нагрева за счет энергии, выд-ся в рез-текаталит-й реак.
В данном классе устройств наиб распр-ми явл пеллисторы, или моноэлектродные сенсоры, предст-ипе собой спираль из пластиновой проволоки толщиной 5-25 мкм, покрытую слоем керамики, поверх кот нанесен слой катал-ра. Принцип работы основан на тепловом эффекте катал-го окисления газа на пов-ти катализатора, сопровождающемся изменением темп-ры сенсора и, след-но, сопротивлением платиновой спирали. Разновиднлстью таких сенсоров явлпеллисторы, в кот вместо изолирующего керамического покрытия исп-ся полупроводниковое, шунтирующее витки спирали. В рез-тетермоэффекта окисления при воздействии детектируемого газа умен-ся также его сопротивление, что приводит к увел-июкоэф-та шунтирования витков спирали. Примен-сяпеллисторы в мостовых схемах в паре с сенсором сравнения, выполненным без катал-ра. В кач-вечувст-ых элементов м.б использованы мат-лы, электрофиз-иехар-ки кот крайне чувчтвительны к малейшим изм-ям тем-ры. Термокаталитические сенсоры методами микротехнологий изготавливаются на базе термопарных батарей, термочувст-х электродов и тд.
60. Массочувствительные сенсоры. Область применения, принцип работы. В качестве таких сенсоров используют приборы на объемных и поверхностных акустических волнах на основе пьезоэлектриков, в которых деформации наводят поверхностный заряд. Периодические напряжения, связанные с механическим резонансом, можно создавать при помощи переменного тока той же частоты, что и резонанс. Механический резонанс определяется массой структуры, а использование современных методов изменения частоты позволяет достигать разрешения до 10-12 г. Если адсорбируется вещество массой dm на структуре массой М, то изменение частоты df составляет: -dm/ 2M = df/ fr,где fr - частота резонанса. Для того, чтобы создать датчик на основе пьезокристалла, необходимо обеспечить преимущественную сорбцию молекул определяемого вещества на поверхности кристалла. Для этого его покрывают тонкой пленкой сорбирующего материала. В данном классе приборов наиболее чувствительными являются элементы на рэлеевских поверхностно-акустических волнах (ПАВ).
На подложке из пьезоэлектрика 1 формируют 4 системы тонкопленочных растровых (встречноштырьевых) электродов. Подложка должна иметь поверхность, отполированную до оптической точности, т.к. неровности вызывают значительные акустические потери. Одна пара электродов 2 служит для возбуждения ПАВ путем подачи на них переменного напряжения. Сформированная ПАВ распространяется по поверхности пьезоподложки ко второй паре электродов 3, которые служат для детектирования ПАВ и преобразования ее в переменный электрический сигнал. Данный прибор представляет собой дифференциальную схему двух линий задержки, причем в области распространения ПАВ одной из них нанесен слой 4 в селективно-сорбирующие молекулы детектируемого вещества, что сопровождается уменьшением скорости распространения ПАВ и частоты колебаний. Электрические сигналы по двум линиям усиливаются усилителями 5 и поступают на счетчик смешанной частоты 6. Разностная частота пропорциональна количеству сорбированного вещества, а селективность определяется типом используемого чувствительного слоя.
61. Цифровые измерительные приборы. Это измерители электрических величин с цифровой индикацией, в кот-х используется цифровой метод измерения. Преимущ-ва: высокая точность, быстродействие, возможность получать результат измер-я в виде числа. Принципа работы цифровых приборов: компенсационный метод при котором измеряемое U или электрич. величина, преобразованная в нU сравнивается с известным, т.е. с компенсирующим. Момент равенства этих U определяется сравнивающей схемой, а отсчётное устр-во регистрирует знач-е компенсирующего U для этого момента времени в цифровой форме. Т.о. основным узлом цифрового прибора является устройство для преобразования измеряемого U в соответствующие цифровые отсчёты (В аналого-цифровой преобраз-ль).
Сх. преобраз-ля: АЦП состоит из: Компаратора -К, генератора пилообразного U-ГПН, кварцевого генератора-КГ, вентельного ключа-КВ, счётчика импульсов СИ.
С пом-ю компаратора (устр-во для сравнения U) сравниваются аналоговые измеряемые напряжения Ux с пилообразным наростающим Uc, создаваемым генератором пилообр. Напряжения. Как только Uc достигает опорного значения Uо импульс от кварцевого генератора через вентельный ключ начинает поступать на вход счётчика импульса. В момент достижения пилообр. напряжением значения измеряемого U, вентельный ключ прекращает доступ импульса к счётчику. Импульсы, прошедшие на счётчик в течении того времени пока вентильный ключ был открыт, подсчитывается, а их число индицируется. Число импульсов Ni за время Δt соответствует значению измеряемого напряжения: Ni = k*Ux, k-коэф. преобразования.
В цифровых приборах применяются также аналого-цифровые преобразователи, основаные на методе компенсации. Измеряемое аналоговое напряжение сравнивается с высокостабильным компенсационным U, разделённым на ступени в соответствии с выбранным кодом. Управ. схема путём электронного переключателя сопротив. делителя напряжений обеспечивает равенство измеряемого и компенсиру-ющего напряжения, которое фиксируется компоратором. На этом измерение заканчивается, а значения выбранного кода соответствующего набору подключ. сопротив-ий считывается и индуцируется.
62. Устройство и принцип работы измерительных механизмов. Применяют для измер-я пост. и перемен. токов и напряжений, мощности, угла фазового сдвига. Электродинамические приборы являются наиболее точными для измерения переменного тока. В измерительных механизмах ЭДП используется электродинамическое взаимодействие двух катушек с током, а вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижных катушек. Электродинамический измерительный механизм (рис.) имеет две последовательно соединенные неподвижные катушки 1, разделенные воздушным зазором, и подвижную катушку 2. Ток к подвижной катушке подводится ч-з пружинки, создающие противодействующий момент. Катушки возбуждения 1 питаются, как правило, независимо от измерительной цепи, а катушка 2 включается в измерительную цепь. Вращающий момент в таком механизме определяется токами в катушках: М =(dМ1,2 / dα)*I1I2, М1,2 - взаимная индукция неподвижной и подвижной катушек.
Если противодействующий момент создается упругими элементами (Мпр = Wyα = М), то угол отклонения подвижной части в случае постоянного тока составит:
α = (1/Wy)*(dМ1,2/ dα)* I1I2, а при переменном токе
α = (1/Wy)*(dМ1,2 / dα)* I1I2 cosφ, где φ - угол сдвига по фазе м-у I в кат-ке 2 и магнит-м потоком от катушек 1.
Т.к. собственное магнитное поле измерительного механизма невелико, на работу электродинамических приборов оказывают влияние внешние магнитные поля, поэтому необходимо хорошее магнитное экранирование механизма. Электродинамические приборы обладают меньшей чувствительностью, чем магнитоэлектрические, и большим потреблением мощности.
В электродинамических амперметрах для токов до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяют последовательно. В этом случае токи в катушках равны (I1 = I2 = I3) и cosφ = 1. Угол отклонения указателя прибора:
α = (1/Wy)*(dМ1,2/ dα)* I 2
В амперметрах для измерения токов свыше 0,5 А подвижную и неподвижную катушки включают параллельно (I1 = c1I; I2 = c2I; cosφ = 1; где I1 и I 2 -токи в подвижной и неподвижной катушках; I - измеряемый ток). Угол отклонения указателя прибора: α = (c1c2 / Wy)*(dМ1,2 / dα)* I 2
Электродинамические амперметры изготавливают, как правило, на два диапазона. Изменение пределов измерений осуществляется последовательным и параллельным переключением катушек.
В электродинамических вольтметрах измерительный механизм с последовательно соединенными катушками включается последовательно с добавочным резистором. Угол отклонения указателя вольтметра:
α = (c3 / Wy)*(dМ1,2 / dα)* U 2
где c3 = 1/ Z 2 (Z – полное сопротивление цепи вольтметра, т.е. сумма сопротивлений катушек и добавочного резистора).
Основная область применения электродинамических амперметров и вольтметров - измерение переменного тока в диапазоне частот 45-1000 Гц.
63. Устройство аналоговых электронных приборов, устройство, принцип работы и назначение. Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Обобщенная структурная схема АЭП: Устройство преобразования (УП) сост-т из 1 или нескольких измерит. Преобр-лей (ИП), предн. для преобразования измеряемой величины Х в такой сигнал У, параметры кот. Соотв-т входным хар-кам отсчётного устройства. ОУ предн. для преобразования сигналов измерительной информации У в форму, доступную для считывания значений измеряемой величины. Образцовые средства (ОС) используют для калибровки АЭП. Вспомогательные устройства (ВУ) не принимают непосредственного участия в преобразовании сигналов, но обеспечивают необходимые условия работы других узлов (источники питания). В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм, градуированный в единицах напряжения. Диапазон измер-й 10- 9 – 104 В.
64. Основные методы измерения удельного сопротивления. 1) Метод Ван-дер-Пау. Метод прим-ся для измерения уд. сопр-ия плоских образцов произвольной формы. Сущность метода: на периферии плоского образца создают 4 точечных контакта. Сначала ч/з пару контактов А и В пропускают ток и измеряют разность потенциалов между парой С и D, затем пропускают ток через контакты В и С и измеряют разность потенциалов между D и А. По результатам измерений рассчитывают два значения сопротивления: RABCD= UCD / IAB; RBCDA= =UDA / IBC.
ρ – удельное сопротивление образца. Однако выразить значение ρ из данного выражения невозможно через R. Чтобы получить значение ρ, была введена функция поправок, с учётом которой удельное сопротивление рассчитывают по формуле: ρ = (πd/ℓn 2) • [(RABCD+ RBCDA)/2] • ƒ, где значение функции поправок ƒ зависит от 2-ух значений измеренных сопротивлений.
Для уменьшения погрешности можно использовать образцы спец. геометрической формы.
2) 2-х зондового метода. Применяется для измерения сопротивления образцов правильной геометрической формы с известным поперечным сечением. Его используют для контроля распределения удельного сопротивления по длине слитка полупроводникового материала. Рабочий диапазон измеряемых значений уд. сопротивления 10-3-10-4 Ом/см, но может применяться и для измерения уд. Сопротивления менее 10-3 Ом/см.S-расстояние м/у контактами 1 и 2, U12-напряжение м/у контактами.При использовании этого метода на торцевых гранях образца изготавливают омические контакты, эл. ток пропускают ч/з эти контакты вдоль образца на одной из поверхности, которого вдоль линии тока устанавливают 2 контакта в виде металлич. иголок—зондов имеющих малую площадь соприкосновения с поверхностью м/у ними измеряется U12. Если образец однороден, то p= (U12*A)/(I*S), A-площадь поперечного сечения, I- сила тока, S-расстояние м/у зондами. Погрешность метода минимальна (0,5%) при следующих соотношений геометрических размеров образца: а≥3b, с≤а/2.
3) Метод проверки однородности образца. Метод проверки однородности образца - однозондовый метод. Схема одн-го м-да измер-я уд. сопротивления получается из схемы двухз-го, если одну из клемм вольтметра соединить с токопроводящим контактом. Установленный на пов-ти оразца зонд явл. подвижным, т.е. расстояние х от контакта к1 можно изменять. Если провести измерение падения напряжения U между контактом к1 и зондом при 2-ух знач-х расстояния х1 и х2, определяют велич. уд. сопр-я:
,
S – площадь попереч. сеч-я; UX1 – падение напряжения.
Рассмотренную схему исп-ют для пров-ки однор-ти измер-го образца, проверкой оммичности контактов и определения величины сопр-ий токопров-х контактов.
4) Четырехзондового метода. Наиб. распространен при контроле качества проводящих мат-ов. Условие – наличие плоского участка пов-ти, линейные разм-ры кот-го превосходят лин-е размеры системы зондов. М-д прим-ся для измер-я уд. сопр-я в диап-не 10-4 -103Ом\см. М-д основан на явл-ии растекания тока в точке контакта. Прим-ся на образцах, представляемых полубесконечный объем, огранич. плоской пов-ю.
На пов-ти образца вдоль одной линии размещ-ся 4-ре зонда. Через пару контактов чаще всего это зонды 1 и 4 пропускают ток. А между двумя контактами 2 и 3 изм-ют разн-ть пот-ов. Рабочая ф-ла 4-хзондового метода для полубеск-го образца опр-еделения уд-го сопр-я:
65. Измерение подвижности и концентрации носителей заряда. На практике применяется множество методов измерения концентрации и подвижностей носителей зарядов. Возможность применения того или иного метода, его метрологические характеристики, информативность измеряемого параметра зависят от физического принципа измерений, электрофизических свойств, геометрической формы и размеров объекта. К гальваномагнитным явлениям, возникающими при совместном действии на материал электрического и магнитного полей относят эффект Холла и магниторезистивный эффект.
Эффект Холла. Через образец, имеющий форму параллелепипеда, пропускают ток вдоль оси х. Если вдоль оси у приложить магнитное поле В, то движущиеся вдоль оси х со скоростью VD носители заряда (например электроны) будут отклоняться под действием силы Лоренца F=qVDB в направлении z, перпендикулярном оси х и у.
Т.о. в направлении z появится поперечный ток Iz. Поскольку образец имеет конечные размеры в направлении оси z, то произойдет накопление заряда (электронов) на верхней грани образца и возникнет их дефицит на нижней. Противоположные грани заряжаются, и возникает поперечное электрическое поле Ez, называемое холловским.
Холловское поле компенсирует силы Лоренца только для носителей зарядка, имеющих некоторую среднюю скорость, а поскольку существует определенное распределение носителей заряда по скоростям (энергиям), происходит их различное отклонение, которое вызывает возникновение градиента температуры в образце в направлении z (эффект Эттингсгаузена).
Измерение ЭДС Холла. Для опред. конц. и подвижности носителей заряда необх. измер. проводимость образца и const Холла. Измер. пров. след. образом: на верхн. грани образца размещ. 2 зонда (1и2) вдоль напр-ния линии тока, а со стороны нижней грани устанав. зонд 3, встречный одному из них. С помощью 1 и 2 измер-ют проводимость образца по 2-ухзонд-ому м-ду, а затем 1и3 служат для измер. холловской разн-ти пот-лов. В дан. сл. Еz=UH/b; j=I/S=I/bd. Холловск. разн-ть пот-ов: UH/b=RH*I*B/bd; UH=RH*(I*B/d); RH=UH*d/I*B –const Холла. По измер-ным знач. RH наход-ся конц. носителей n, а затем соотношения μ=RHσ вычесл. холловск. подвижность. При измер. эф. Холла возник. ряд сопутствующ. физ. явлений, кот. м. послужить ист-ком неконтр-мых систем. и случ. погрешн., искажающ. рез-ты измерений. Для устр. этого используется схема перем. тока или перем. магнитн. поля. В этом сл. возник. ЭДС Холла с частотой тока или магн. поля. При прохожд. ч/з образец перем. тока или использ. пост. магн. поля ЭДС Холла измер. с помощью селективного вольтметра. В виду иннерц. тепл. проц. ЭДС уменьш. при низких частотах, а усреднение ЭДС Холла по 2-ум направл. магн. поля устан-ет влияние напр-ния неэквипотенциальности. Измерение ЭДС Холла методом Ван-дер-Пау. Данный метод применяется для плоских образцов произвольной формы, на периферии которых создают 4 точечных контакта. 2-а контакта используются для пропускания тока через образец, а между оставшимися 2-мя контактами замеряют ЭДС Холла. Постоянная Холла в этом методе определяется по соотношению: RH = (d•ΔRABCD)/B, где d – толщина плоского образца; ΔRABCD – изменение сопротивления образца, вызванное включением магнитного поля ΔRABCD = ΔUBD/ IAC. ΔUBD – изменение потенциала между зондами В и D при включении магнитного поля. Чтобы определить подвижность носителей заряда, надо измерить удельное сопротивление образца по методу Ван-дер-Пау. μ = RH /ρ.