1.5.2.1.Cơ chế nhạy khớ chung của vật liệu oxit kim loại bỏn dẫn
Cảm biến khớ trờn cơ sở vật liệu oxit kim loại bỏn dẫn thường cú nhiệt độ làm việc tối ưu trong khoảng 250-400 oC. Khi làm việc ở nhiệt độ thấp (100-200 oC), cỏc phõn tử
14
oxy trong khụng khớ bị hấp phụ lờn trờn bề mặt của nú tạo thành cỏc ion của oxy phõn tử (O-2) bằng cỏch lấy một điện tử từ vựng dẫn của vật liệu. Ở nhiệt độ cao hơn, cỏc ion oxy phõn tử tiếp tục lấy điện tử để tạo thành cỏc ion nguyờn tử oxy dưới dạng O- hoặc O2- [124]. Với chất bỏn dẫn loại n thỡ hạt tải cơ bản là điện tử nờn điện trở của cảm biến giảm khi nhiệt độ tăng. Trong mụi trường oxy, nồng độ điện tử trong vựng dẫn của vật liệu bị giảm xuống do sự hấp phụ của cỏc ion oxy, đõy là nguyờn nhõn làm tăng điện trở của cảm biến. Khi vật liệu oxit kim loại bỏn dẫn loại n tiếp xỳc với cỏc khớ khử ở nhiệt độ thớch hợp thỡ cỏc ion oxy trờn bề mặt này sẽ phản ứng với cỏc khớ thử nhường lại điện tử cho vựng dẫn nờn điện trở của nú sẽ giảm xuống.
2CO + O2- → 2CO2 + e (1.1)
CO + O- → CO2 + e (1.2)
Trong trường hợp vật liệu tiếp xỳc với khớ oxy húa thỡ khớ oxy húa sẽ hấp phụ lờn bề mặt và lấy điện tử của vật liệu, làm cho điện trở của chỳng tăng lờn. Sự thay đổi điện trở của cảm biến phụ thuộc vào tớnh chất bỏn dẫn của vật liệu như được chỉ ra trờn Hỡnh 1.8.
Hỡnh 1.8. Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi điện trở của cảm biến bỏn dẫn loại n và p.
Bờn cạnh đú, sự thay đổi điện trở của cảm biến sử dụng vật liệu oxit kim loại bỏn dẫn cú thể giải thớch trờn cơ sở sự thay đổi rào thế giữa cỏc biờn hạt. Do vật liệu hấp phụ oxy trong khụng khớ nờn hỡnh thành rào thế ngăn cản sự dịch chuyển của cỏc điện tử tự do tại cỏc biờn hạt. Khi thổi khớ khử thỡ nú sẽ phản ứng với ion oxy làm giảm mật độ của cỏc ion oxy mang điện tớch õm xuống dẫn tới làm giảm chiều cao rào thế nờn cỏc hạt điện tớch tự
15
do dễ dàng di chuyển qua biờn hạt, do đú độ dẫn của vật liệu tăng lờn, sơ đồ minh họa sự thay đổi rào thế của vật liệu được thể hiện trờn Hỡnh 1.9.
Với bỏn dẫn loại p thỡ hạt tải cơ bản là lỗ trống. Trong khụng khớ, vật liệu này sẽ tạo ra cỏc lỗ trống khi cỏc ion bị hấp phụ lờn bề mặt. Quỏ trỡnh này sẽ làm tăng số lượng cỏc hạt tải điện dẫn tới giảm điện trở của cảm biến. Khi đặt trong mụi trường khớ thử (khớ khử) thỡ cỏc điện tử được trả lại vựng húa trị và tỏi hợp với lỗ trống làm cho số lượng lỗ trống giảm xuống, điều này dẫn tới tăng điện trở của cảm biến.
Hỡnh 1.9. Mụ hỡnh giải thớch sự thay đổi rào thế của vật liệu oxit kim loại bỏn dẫn loại n đối với khớ khử.