Газовий сенсор на основі наноструктурованого оксиду вольфраму

Реферат: Газовий сенсор на основі наноструктурованого оксиду вольфраму містить газочутливу плівку оксиду вольфраму, нанесену на підкладку, та електроди. Використано нанорозмірну та наноструктуровану плівку оксиду вольфраму. UA 96833 U (12) UA 96833 U UA 96833 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі вимірювальної електронної техніки, а саме до пристроїв газового контролю навколишнього середовища, зокрема до газових сенсорів, і може застосовуватись для екологічного моніторингу навколишньої атмосфери в хімічній, медичній, видобувній та переробній промисловості. Найближчим аналогом є газовий сенсор WО3, виготовлений термічним окисленням вольфрамову [WO3 gas sensors prepared by thermal oxidization of tungsten // T. Siciliano, A. Tepore, G. Micocci, A. Serra. D. Manno, E. Filippo. Sensors and Actuators B, - 2008, vol. 133, - pp. 321-326]. WO3 газовий сенсор отриманий методом термічного випаровування вольфраму (99,99 % чистоти) з фольги в кисневій атмосфері. Плівка оксиду вольфраму осаджувалась на сапфірову підкладку. Товщина осадженої плівки складала близько 20 мкм за даними профілометрії. Аналіз хімічного складу та мікроструктури показав, що плівка представляє оксид вольфраму моноклінної фази з середнім розміром кристалічних агрегатів ~0,8 мкм. Сигнал відгуку сенсора реєстрували по зміні електричного опору під дією газу та при робочій температурі 250 С. До недоліків газового сенсора слід віднести отримання відносно товстих плівок WO3. робота при підвищених температурах, час відгуку сенсора на дію газу більше 10 хвилин. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити більш енергоефективний, швидкодіючий газовий сенсор на основі нанорозмірної та наноструктурованої плівки оксиду вольфраму, придатний для реєстрації низьких концентрацій водню та сірководню на повітрі та працюючий при кімнатній температурі. Поставлена задача вирішується тим, що газовий сенсор на основі наноструктурованого оксиду вольфраму, що містить газочутливу плівку оксиду вольфраму, нанесену на підкладку, та електроди, згідно з корисною моделюю, використано нанорозмірну та наноструктуровану плівку оксиду вольфраму товщиною 20-100 нм і з середнім розміром зерен 30-150 нм, при цьому газовий сенсор працює при кімнатних температурах, а відгук сенсора на дію газу реєструють по вимірюванню поперечного струму. Плівку оксиду вольфраму наносять на кремнієву підкладку (Si) p-типу методом магнетронного розпилення вольфрамової (W) мішені, після чого проводять процес термічного окислення в кисневій атмосфері при температурі 400-600 С, та часу відпалу 1-3 год. Технічний результат полягає у виготовленні газового сенсора на основі наноструктурованого оксиду вольфраму з товщиною плівки 20-100 нм, який дозволяє: збільшити швидкість відгуку сенсора 5-10 разів та збільшити енергоефективність сенсора за рахунок роботи при кімнатній температурі. Суть корисної моделі полягає у використанні як каталітично активної поверхні наноструктурованої плівки оксиду вольфраму нанорозмірної товщини. Використання даної плівки приводить до підвищення каталітичної активності газового сенсора, за рахунок того, що значна частина атомів знаходиться у низькокоординованому стані (на поверхні). Це, зокрема, спричиняє збільшення швидкодії сенсора (зменшення часу відгуку електричного параметра сенсора під дією газу) та роботи при кімнатній температурі. Робота при кімнатній температурі, тобто без розігріву сенсора до робочої температури (зазвичай металооксидні сенсори працюють при температурах 200-300 °C), приводить до збільшення енергоефективності сенсора за рахунок менших енерговитрат та збільшує час роботи сенсора в автономному режимі. Суть корисної моделі пояснюють кресленнями: Фіг. 1. Мікрофотографія поверхні наноструктурованої плівки оксиду вольфраму (WO3) товщиною 100 нм на кремнієвій підкладці отримана за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ); Фіг. 2. Вольт-амперні характеристики структури WO3/Si під дією водню на повітрі при кімнатній температурі, на вставці показана залежність сигналу відгуку сенсора від концентрації водню; Фіг. 3. Вольт-амперні характеристики структури WO3/Si під дією сірководню на повітрі при кімнатній температурі, на вставці показана залежність сигналу відгуку сенсора від концентрації сірководню. Можливість одержання заявленого технічного результату при здійсненні корисної моделі демонструє приклад практичної реалізації. Газовий сенсор на основі наноструктурованого оксиду вольфраму формують наступним чином, кремнієву підкладку c-Si р-типу (100) знежирюють та очищають від окислу, а потім наносять плівку вольфраму. Плівку вольфраму заданої товщини наносять методом магнетронного розпилення. Прецизійне вимірювання товщини плівки під час напилення контролюють за допомогою кварцового резонатора з точністю до 0,5 нм. Фізичний механізм 1 UA 96833 U 5 10 15 20 25 30 35 40 вимірювання товщини плівки полягає у зміни резонансної частоти осцилюючого кварцового кристалу під час осадження на його поверхню атомів вольфраму. Отримані зразки W/Si відпалюють в кисневій атмосфері при температурі 400-600 °C протягом 1-3 годин. Після закінчення процесу відпалу зразки наноструктурованих оксидних плівок (WO3/Si) виймають з пічки та охолоджують до температури навколишнього середовища. Для формування газових сенсорів на отримані зразки додатково наносять металічні електроди, зазвичай використовують алюміній (Аl). Електроди наносять заданої форми та розміру через спеціальні маски. Вплив газів на такі структури проводять за допомогою вимірювання величини струму через зразки Al/WO3/Si/Al. Мікроструктуру поверхні зразків під дією термічного окислення досліджували за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ) Фіг. 1 показало, що поверхня плівки є наноструктурованою і складається з окремих блоків неправильної форми з середнім розміром 30-150 нм. Також видно, що наноструктурована плівка оксиду вольфраму має пори із середнім розміром 5-20 нм. Розподіл пор на поверхні плівки не рівномірний. Пори можуть слугувати додатковим каналом проникнення газових молекул на границю поділу WO3/Si структури, у зв'язку із чим, можна очікувати, що сенсори виготовлені на пористих наноструктурованих оксидних матеріалах будуть мати більшу газову чутливість і швидкість відгуку. Газові сенсори на основі наноструктурованих оксидних плівок вольфраму випробували до дії низьких концентрацій водню (Н2) та сірководню (H2S) на повітрі при кімнатній температурі. Вплив газів на сенсори проводили по вимірюванню зміни величини постійного струму за допомогою RLC-вимірювача Е7-20. На Фіг. 2 показано зміну вольт-амперної характеристики (ΒΑΧ) Al/WO3/Si/Al сенсора під дією водню концентрацією 100-1000 ррт. На вставці показана залежність сигналу відгуку сенсора під дією водню в діапазоні концентрацій від концентрації 11000 ррт. Можна бачити, що в діапазоні концентрацій від 1-300 ррт залежність має лінійний характер і при збільшенні концентрації газу від 300-1000 ррт поступово виходить на насичення. На Фіг. 3 показано зміну ΒΑΧ Al/WO3/Si/Al сенсора під дією сірководню концентрацією 15-75 ррт. На вставці показана залежність сигналу відгуку сенсора під дією сірководню в діапазоні концентрацій від концентрації 1-100 ррт. Можна бачити, що в досліджуваному діапазоні концентрацій залежність має лінійний характер. Газову чутливість проводили по вимірюванню зміни струму на прямій гілці ΒΑΧ (від'ємний потенціал « - » на Al/WO3 електроді). Максимум відгуку сенсора до дії газів досягається при потенціалі 2 В. Показано, що сірководень приводить до збільшення проходження струму через сенсор, а водень навпаки приводить до зменшення струму. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Газовий сенсор на основі наноструктурованого оксиду вольфраму, що містить газочутливу плівку оксиду вольфраму, нанесену на підкладку, та електроди, який відрізняється тим, що використано нанорозмірну та наноструктуровану плівку оксиду вольфраму товщиною 20-100 нм і з середнім розміром зерен 30-150 нм, при цьому газовий сенсор працює при кімнатних температурах, а відгук сенсора на дію газу реєструють по вимірюванню поперечного струму. 2 UA 96833 U 3 UA 96833 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4