Резистивний сенсор аміаку

Реферат: Резистивний сенсор аміаку містить непровідну підкладку з двома електродами, на яку нанесений чутливий напівпровідниковий шар. Крім цього, як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO. UA 111415 U (12) UA 111415 U UA 111415 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується галузі приладобудування і може бути використана для детектування і контролю вмісту аміаку в оточуючому середовищі, у приміщеннях, у трубопроводах, а також у харчовій промисловості для контролю якості харчових продуктів. Відомий резистивний сенсор газів на основі оксиду металу SnO 2, або Іn2О3, або ZnO, дія якого ґрунтується на вимірюванні зміни опору чутливого елемента на основі оксидів металів під впливом індикаторного газу [Вуйцік В., Готра З., Григор'єв В. Мікроелектронні сенсори фізичних величин. - Львів: Ліга-Прес, 2002. - 475 с.]. Сенсори резистивного типу складаються з підкладки, на яку нанесено чутливу напівпровідникову плівку активного елемента, нагрівача у вигляді резистивної плівки, яка наноситься з іншої сторони підкладки, і електродів, нанесених на чутливий елемент. Одним з основних параметрів газових сенсорів резистивного типу є чутливість, яка є безрозмірною величиною і визначається як відношення електроопору активного елемента в аналізованому газі до його електроопору на повітрі, чи навпаки, в залежності від типу електропровідності активного елемента сенсора і виду аналізованого газу (молекули газу є акцепторами електронів чи донорами). Недоліками такого сенсора є високі робочі температури 200-500 °C і складні конструкції, зумовлені необхідністю встановлення нагрівного елемента. Відомий резистивний сенсор газів типу TGS 826 для детектування аміаку. Сенсор виготовлений на основі плівки діоксиду стануму (SnO 2), нанесеної на алюмінізовану керамічну трубку, всередині якої розміщений нагрівник. До плівки SnO2 приєднано два золотих електроди для вимірювання електроопору. Чутливість такого сенсора за концентрації аміаку 100 ррm становить 1,25, час відгуку - 1 сек., час відновлення - 7 сек. [Figaro USA Inc., http://www.figarosensor.com/products/docs/TGS 826 (05_04).pdf]. Недоліками такого сенсора є відносно невисока чутливість, використання благородних металів у конструкції та складність конструкції через необхідність застосування нагрівного елемента. Відомий резистивний сенсор газів типу TGS 2444 з багатошаровою структурою для детектування аміаку. Сенсор складається з алюмінієвої підкладки, шару скла - для термоізоляції, алюмінієвих плівкових електродів для підведення напруги живлення до нагрівача, плівкового нагрівача з оксиду рутенію (RuO2), активного елемента - плівки SnO2 та золотих електродів відведених від плівки SnO2 для вимірювання електроопору. Чутливість сенсора за концентрації аміаку 100 ррm становить 12,5, а час відгуку - 30 сек [Figaro USA Inc., http://www.figarosensor.com/products/docs/2444 Prodlnfo(0613).pdf]. Недоліками такого сенсору є необхідність застосування нагрівного елемента, використання благородних металів у конструкції та довгий час відновлення - 20 хв. Відомий резистивний сенсор аміаку на основі наноструктур оксиду цинку з n-типом провідності без нагрівального елемента [Ang W. Room-Temperature NH3 Gas Sensor Based on Hydrothermally Grown ZnO Nanorods / W. Ang, W. Zhao, P. Liu-Hua, L. Wei-Wei, X. Li, D. XiaoChen, H. Wei // Chin. Phys. Lett. - 2011. - V. 28. - P. 080702]. Сенсор складається зі скляної підкладки, двох двошарових електродів, виготовлених почерговим осадженням на підкладку плівок Ті та Аu товщинами 10 нм і 300 нм, відповідно, та активного елемента - шару наностержнів ZnO довжиною 6 мкм і діаметром 500 нм. Відстань між електродами такого сенсора - 10 мкм. Чутливість сенсора за концентрації аміаку 500 ррm становить 0,92, а час відгуку - 5 хв. Недоліками сенсора є відносно невисока чутливість, довгий час відгуку, та використання благородних металів у конструкції. Найбільш близьким за технічним рішенням до пропонованої корисної моделі-прототипом є сенсор аміаку на основі оксиду цинку [В.Б. Капустяник, Б.І. Турко, М.Р. Панасюк, М.В. Партика, Б.Я. Кулик Інженерія чутливих елементів сенсорів пари етанолу, аміаку та ацетону на основі тонких плівок ZnO:Cu // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2012. - Т. 3. - С. 4852]. Сенсор складається із сенсорної плівки, нанесеної на сіталову підкладку, нікель-хромового нагрівача і алюмінієвих контактних майданчиків. Сенсор етанолу на основі оксиду цинку працює на поверхневих ефектах, робоча температура якого становить 200-400 °C. При дії на плівку ZnO парів аміаку провідність зростає, опір зменшується. Значно покращуються газочутливі характеристики плівки при уведенні легуючих домішок, наприклад міді. Найвища чутливість 2,1 досягається для плівки ZnO з 1 ат. % Сu, при часі відгуку - 90 сек. Недоліками є низька чутливість до концентрацій аміаку менших за 1000 ррm та значна робоча температура - 400 °C. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити резистивний сенсор аміаку шляхом використання для чутливого шару наноструктур ZnO, які забезпечують зростання 1 UA 111415 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 величини робочої площі поверхні сенсора, що дасть змогу підвищити його чутливість та збільшити температурний діапазон застосування. Поставлена задача вирішується тим, що у резистивному сенсорі аміаку, що містить непровідну підкладку з двома електродами, на яку нанесений чутливий напівпровідниковий шар, як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO. Заявлений сенсор і прототип мають суттєві спільні ознаки (чутливий елемент з ZnO, сіталова підкладка та омічні контакти). Технічний результат заявленого сенсору обумовлений тим, що автори корисної моделі вперше використали для створення чутливого елемента сенсора аміаку наноструктури ZnO з pтипом провідності [Патент на корисну модель №78485 Україна, МПК C01G9/00. Спосіб отримання наноструктурованого матеріалу ZnO з р-типом провідності. Г.О. Лубочкова, Б.І. Турко, О.П. Крегель, В.Б. Капустяник, І. Кітик, М. Пясецкі. № u201208985 Заявл. 20.07.2012; Опубл. 25.03.2013, Бюл. № 6], що дало змогу проводити індикацію малих концентрацій аміаку при кімнатній температурі. Як відомо з літературних джерел [Changa S. J. High Sensitivity of a ZnO Nanowire-Based Ammonia Gas Sensor with Pt Nano-Particles / S.J. Changa, W.Y. Wenga, C.L. Hsub, T.J. Hsueha // Nano Communication Networks. - 2010. - V. 1. - P. 283-288] на поверхні наноструктур ZnO при адсорбції молекул аміаку відбувається наступна реакція: 2NH3+3О 3Н2О+N2+3е . (1) У випадку використання у сенсорі аміаку чутливого шару з напівпровідникового матеріалу з p-типом провідності вивільнені внаслідок реакції (1) електрони рекомбінуватимуть з дірками, зменшуючи густину вільних носіїв заряду. При цьому опір такого сенсора зростатиме. Фіг. 1. Мікрофотографія поверхні чутливого елемента сенсора на основі наноструктур оксиду цинку. Фіг. 2. Схематичне зображення резистивного сенсора, де 1 - сіталова підкладка, 2 алюмінієві контактні майданчики, 3 - чутливий елемент з наноструктур оксиду цинку. Фіг. 3. Крива відгуку сенсора, створеного на основі наноструктур ZnO, на пари аміаку з концентрацією 100 ppm за робочої температури 19 °C. Резистивний сенсор аміаку складається з сіталової підкладки, з нанесеними на неї за допомогою установки ВУП-5М термічним випаровуванням у вакуумі, двома контактними алюмінієвими електродами. Поверх електродів нанесені наноструктури ZnO, отримані електроосадженням з водного розчину в електрохімічній комірці з двома електродами, Алюмінієві контактні майданчики на підкладку наносять за певними шаблонами. Вимірювання товщини алюмінієвих плівок здійснюють на мікроінтерферометрі МИ-4. . Осадження наноструктур здійснюють з водного еквімолярного розчину Zn(NO 3)2 6H2O та гексаміну C6H12N4 з концентрацією обох реагентів у межах 10-30 мМ з рН розчину в інтервалі 6,8-7,2. На робочий електрод-підкладку з алюмінієвими контактними майданчики подають напругу - 0,9 В. Щоб збільшити електропровідність розчину додають 0,1 М водного розчин КСl. 2 Площа поверхні чутливого елемента сенсора з наноструктур ZnO становить 1 см . Дослідження сенсорних властивостей наноструктур проводять з використанням герметичної камери з капіляром для подачі аналізованої речовини, у якій розміщують зразок з металічними контактами. Зміну опору фіксують після досягнення стаціонарного значення (через 30-50 с). Вимірювання опору і робочої температури сенсора здійснюють мультиметром BM859CFa (BRYMEN, Тайвань) з хромель-алюмелевою термопарою та програмним забезпеченням. На фіг. 3 наведено приклад відгуку сенсора, створеного на основі наноструктур ZnO, на пари аміаку, який пояснює його роботу. А у таблиці зведено порівняльні властивості сенсорів аміаку на основі оксиду цинку. Таблиця Порівняльні властивості сенсорів аміаку на основі оксиду цинку Властивості Тип чутливого шару Чутливість Робоча температура, °C Час відгуку, сек. Час відновлення, хв. Прототип тонка плівка 1,1 (за концентрації 1000 ррm) 400 100 5-10 2 Пропонований сенсор наноструктури 3 (за концентрації 100 ррm) кімнатна (19 °C) 45 5 UA 111415 U 5 10 При розміщенні сенсора у газовому середовищі на його поверхні адсорбуються молекули NH3. Під дією малих концентрацій парів аміаку 100 ррm спостерігається суттєве збільшення опору датчика (Фіг. 3), а саме - в 3 рази. Час відгуку сенсора складає 50 с, а відновлення відбувається протягом 5 хвилин витримки на повітрі. Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - застосування наноструктур ZnO зумовлює збільшення величини робочої площі поверхні сенсора, що у свою чергу призводить до зростання чутливості сенсора та розширення його робочого температурного діапазону. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Резистивний сенсор аміаку, що містить непровідну підкладку з двома електродами, на яку нанесений чутливий напівпровідниковий шар, який відрізняється тим, що як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO. 3 UA 111415 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4