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.