Sensori a semiconduttore

I sensori a semiconduttore rilevano la presenza di gas sfruttando la variazione di resistenza elettrica di un materiale semiconduttore, tipicamente un ossido metallico, quando il gas vi entra in contatto. Il principio si basa su un fenomeno di superficie: l’ossido metallico, portato a temperatura elevata da un piccolo riscaldatore, ha una certa resistenza elettrica in aria pulita; quando un gas riducente o ossidante si adsorbe sulla sua superficie, ne modifica la resistenza in modo misurabile. Misurando questa variazione di resistenza si rileva la presenza del gas e se ne stima la concentrazione. Sono sensori economici, robusti e sensibili, molto usati nei rilevatori di gas combustibili e nella qualità dell’aria, anche se meno selettivi e precisi di altre tecnologie. Capire come l’interazione tra gas e superficie cambia la resistenza aiuta a impiegare correttamente questi sensori e a conoscerne i limiti.

Questa pagina spiega il principio della variazione di resistenza, i pregi e i limiti di selettività, e gli usi tipici. È una guida per il tecnico di sicurezza e qualità dell’aria.

La variazione di resistenza

Il cuore del sensore è un piccolo elemento di ossido metallico semiconduttore, mantenuto caldo da un riscaldatore integrato. A questa temperatura, la superficie dell’ossido interagisce con l’ossigeno dell’aria, stabilendo una resistenza elettrica di base. Quando nell’aria è presente un gas riducente, come molti gas combustibili o vapori, questo reagisce con l’ossigeno adsorbito sulla superficie e ne libera parte, modificando il numero di cariche libere nel semiconduttore e quindi la sua resistenza: tipicamente la resistenza diminuisce in presenza di un gas riducente. La variazione di resistenza è tanto più marcata quanto più gas è presente, e da essa lo strumento ricava una stima della concentrazione. Il riscaldamento è essenziale, perché la reazione di superficie avviene solo a temperatura adeguata, ed è anche ciò che permette al sensore di tornare allo stato di base quando il gas scompare, “ripulendo” la superficie. È quindi la chimica di superficie tra il gas e l’ossido caldo a tradurre la presenza del gas in un segnale elettrico. Questo principio, semplice e robusto, rende il sensore economico e sensibile, ma anche relativamente poco selettivo, perché molti gas diversi possono provocare una variazione di resistenza.

Pregi e limiti di selettività

I sensori a semiconduttore hanno pregi che ne spiegano la larga diffusione. Sono economici, robusti e di lunga durata, sensibili anche a basse concentrazioni di molti gas, e con un buon tempo di risposta. Sono ideali per rilevare la presenza di gas combustibili e di molti inquinanti, e per applicazioni dove conta più accorgersi che c’è un gas che misurarne con precisione la quantità. Il loro limite principale è la scarsa selettività: poiché molti gas diversi possono cambiare la resistenza dell’ossido, il sensore risponde a un’ampia gamma di gas e non distingue facilmente quale sia presente. Per questo si presta più a rilevare la presenza generica di gas che a identificarne uno specifico. La risposta inoltre non è sempre lineare con la concentrazione, ed è sensibile a temperatura e umidità ambientali, che vanno compensate. La taratura può derivare nel tempo, richiedendo verifiche. Alcuni sensori sono resi più selettivi con additivi e con la scelta della temperatura di lavoro, ma restano meno specifici degli elettrochimici o dell’infrarosso. La scelta di un sensore a semiconduttore è quindi indicata quando servono economicità, robustezza e rilevamento di presenza di gas, più che misure selettive e precise. È spesso l’elemento di allarme che segnala che qualcosa c’è, da confermare poi con strumenti più selettivi.

Aspetto	Valutazione
Costo e robustezza	Vantaggio
Sensibilità	Buona a molti gas
Selettività	Limitata

Dove si usano

I sensori a semiconduttore si usano dove servono economicità e robustezza nel rilevare la presenza di gas. Sono molto diffusi nei rilevatori di gas combustibili, dove segnalano una fuga di gas prima che raggiunga concentrazioni pericolose, funzione in cui la sensibilità conta più della selettività. Nella qualità dell’aria rilevano genericamente la presenza di gas e vapori inquinanti, dando un indice complessivo. Nella ricerca di fughe segnalano la presenza di gas avvicinando la sonda ai punti sospetti. Si trovano in molti dispositivi di consumo e domestici, proprio per il loro basso costo. La loro larga diffusione deriva dall’ottimo rapporto tra costo, robustezza e sensibilità. Vanno però usati sapendo che non identificano con precisione il gas né ne misurano esattamente la quantità, e che risentono delle condizioni ambientali. Dove serve identificare e quantificare un gas specifico si usano invece sensori elettrochimici o a infrarosso. Spesso i sensori a semiconduttore fungono da primo allarme sensibile ed economico, complementare a tecnologie più selettive. Per il rilevamento diffuso e a basso costo della presenza di gas, restano una tecnologia molto utile.

• Il gas cambia la resistenza di un ossido caldo.
• Dalla variazione si stima la concentrazione.
• Economici, robusti e sensibili.
• Poco selettivi, rispondono a molti gas.
• Ideali come allarme per gas combustibili.

Affidabilità della misura

Per un uso affidabile contano la consapevolezza della scarsa selettività, la compensazione di temperatura e umidità, e una taratura o verifica periodica. Va tenuto presente che il sensore risponde a molti gas, quindi la sua lettura indica una presenza generica più che un gas specifico, e va confermata con strumenti selettivi dove serve identificare il gas. La temperatura e l’umidità vanno compensate perché influenzano la risposta. Il sensore va lasciato stabilizzare dopo l’accensione, perché il riscaldatore deve raggiungere la temperatura di lavoro. La taratura può derivare, quindi vanno previste verifiche periodiche, specie nelle applicazioni di sicurezza. Va evitata l’esposizione a concentrazioni molto elevate o a sostanze che possono avvelenare la superficie. Documentare tipo di sensore, condizioni e verifiche rende l’uso tracciabile. Grazie alla variazione di resistenza dell’ossido metallico in presenza di gas, i sensori a semiconduttore offrono un rilevamento economico, robusto e sensibile della presenza di gas, e sono una tecnologia diffusa per l’allarme e la qualità dell’aria.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Tecnologie per gas e fluidi del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato alla fotoionizzazione. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo i rilevatori di gas fanno capo ai rilevatori di gas e ricerca fughe, nella famiglia aria, clima, gas ed emissioni. Se devi rilevare la presenza di gas combustibili, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.