Резистивний сенсор етанолу

Реферат: Резистивний сенсор етанолу містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку із двома електродами, систему подачі газу і вимірювальну схему. Крім цього, як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO. UA 85925 U (54) РЕЗИСТИВНИЙ СЕНСОР ЕТАНОЛУ UA 85925 U UA 85925 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі метрології і може бути використана у харчовій промисловості для контролю вмісту етанолу в біотехнологічних процесах, а саме у виробництві спиртовмісних речовин і кондитерських виробів, у парфумерній промисловості і при діагностуванні спирту в подиху людини. Відомий резистивний сенсор газів на основі оксиду металу (SnO2, або In2О3, 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 чутливої плівки, що наноситься на підкладку, нагрівача у вигляді резистивної плівки, яка наноситься з іншої сторони підкладки, і електродів. Недоліками такого сенсора є високі робочі температури (200-500 °C) і складні конструкції, зумовлені необхідністю встановлення нагрівного елемента. Відомий резистивний сенсор газів типу TGS 822 для детектування випарів органічних розчинників. Сенсор виготовлений на основі плівки діоксиду стануму (SnO 2), нанесеної на алюмінізовану керамічну трубку, всередині якої розміщений нагрівник. Чутливість такого сенсора до парів етанолу становить 300 ррm, чутливість до зміни опору не перевищує 40. [Standart Terms and Conditions of Sale of Figaro USA Inc., www. Figarosensor.com/terms.hthm]. Недоліками такого сенсора є відносно невисока чутливість та складність конструкції через необхідність застосування нагрівного елемента. Відомий газовий сенсор на основі наноструктур оксиду металу з n-типом провідності (SnO2, або In2O3, або ZnO), який має вищу аніж у плівкових датчиках чутливість та менший час відгуку. Порівняно з плівковим, сенсор на основі наноструктур має кращі характеристики, зумовлені більшою величиною його робочої площі поверхні [Schmidt-Mende L. ZnO-Nanostructures, Defects, and Devices / L. Schmidt-Mende, J. MacManus-Driscoll // Materials Today. - 2007. - V. 10. - P. 40-48]. Недоліками таких сенсорів є використання вихідних матеріалів високої чистоти та вартісного обладнання, яке використовують для отримання наноструктур. Найбільш близьким за технічним рішенням до пропонованої корисної моделі - прототипом є сенсор етанолу на основі оксиду цинку [В.Б. Капустяник, Б.І. Турко, М.Р. Панасюк, М.В. Партика, В.Я. Кулик Інженерія чутливих елементів сенсорів пари етанолу, аміаку та ацетону на основі тонких плівок ZnO:Cu // Sensor Electronics and Microsystem Technologies. - 2012. - T. 3. - C. 4852]. Сенсор складається з 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 етанолу провідність зростає, опір зменшується. Значно покращуються газочутливі характеристики плівки при введенні легуючих домішок, наприклад, міді. Найвища чутливість досягається для плівки ZnO:Cu, при часі відгуку - 100 сек. Недоліками сенсора етанолу є енерговитратна технологія виготовлення сенсорної плівки із застосуванням складного обладнання, невисока чутливість до малих концентрацій етанолу (зміна опору не перевищує 10 разів). В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити резистивний сенсор етанолу шляхом використання для чутливого шару наноструктур ZnO, які забезпечують зростання величини робочої площі поверхні сенсора, що дасть змогу знизити енерговитрати при отриманні чутливого елемента сенсора та підвищити його чутливість. Поставлена задача вирішується тим, що у резистивному сенсорі етанолу, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку з двома електродами та нагрівним елементом, систему подачі парів етилового спирту і вимірювальну схему, як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO. Заявлений сенсор і прототип мають суттєві спільні ознаки (чутливий елемент з ZnO, сіталова підкладка, омічні контакти та вимірювальна схема). Технічний результат заявленого сенсора обумовлений тим, що автори корисної моделі вперше використали для створення чутливого елемента сенсора етанолу наноструктури ZnO з р-типом провідності [Патент на корисну модель № 78485 Україна, МПК C01G 9/00. 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 етанолу. Фіг. 1. Мікрофотографія поверхні чутливого елемента сенсора на основі наноструктур оксиду цинку. Фіг. 2. Схематичне зображення (вигляд згори) резистивного сенсора, де 1 - сіталова підкладка, 2 - алюмінієві контактні майданчики, 3 - чутливий елемент з наноструктур оксиду цинку. 1 UA 85925 U 5 10 15 20 25 Фіг. 3. Схематичне зображення сенсора (вигляд знизу): 1 сіталова підкладка, 2 - нікельхромовий нагрівач. Фіг. 4. Крива відгуку сенсора, створеного на основі наноструктур ZnO, на пари етилового спирту з концентрацією 100 ppm за робочої температури 350 °C. Резистивний сенсор етанолу складається з наноструктур ZnO, отриманих електроосадженням з водного розчину в електрохімічній комірці з двома електродами, сіталової підкладки, з нанесеними на неї за допомогою установки ВУП-5М термічним випаровуванням у вакуумі, двома контактними алюмінієвими електродами і нікель-хромового нагрівача. 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 близько 7. На робочий електрод-підкладку подають напругу - 0,9 В. Щоб збільшити електропровідність розчину додають 0,1 М водний розчин KСl. На протилежну сторону сіталової підкладки осаджують термічним випаровуванням у вакуумі нікель-хромовий резистивний нагрівач. Алюмінієві контактні майданчики та нікель-хромовий резистивний нагрівач наносять за певними шаблонами. Вимірювання товщини алюмінієвих і нікель-хромових плівок - здійснюють на мікроінтерферометрі МИ-4. Площа поверхні чутливого елемента сенсора з наноструктур ZnO 2 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 та нагрівачем. Зміну опору фіксують після досягнення стаціонарного значення (через 60-120 с). Вимірювання опору і робочої температури сенсора здійснюють мультиметром BM859CFa (BRYMEN, Тайвань) з хромель-алюмелевою термопарою та програмним забезпеченням. На фіг. 4 наведено приклад відгуку сенсора, створеного на основі наноструктур ZnO, на пари етилового спирту, який ілюструє його роботу. А у таблиці зведено порівняльні властивості сенсорів етанолу на основі оксиду цинку. При поміщенні сенсора в газове середовище на його поверхні адсорбуються частинки С2Н5ОН. Під дією малих концентрацій парів етанолу 100 ррm спостерігається суттєве збільшення опору датчика (Фіг. 4), а саме - у 55 разів. Час відгуку сенсора складає 10 с, а відновлення відбувається протягом 5 хвилин витримки на повітрі (Таблиця). 30 Таблиця Порівняльні властивості сенсорів етанолу на основі оксиду цинку Властивості Тип чутливого шару Чутливість Час відгуку, сек. Час відновлення, хв. 35 Прототип тонка плівка 4 100 5-10 Пропонований сенсор наноструктури 55 10 5 Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - зниження енерговитрат при отриманні чутливого елемента сенсора та підвищення чутливості удосконаленням технології виготовлення сенсорного шару із застосуванням наноструктур ZnO, що забезпечує зростання величини робочої площі поверхні сенсора. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Резистивний сенсор етанолу, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку із двома електродами, систему подачі газу і вимірювальну схему, який відрізняється тим, що як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури ZnO. 2 UA 85925 U 3 UA 85925 U 4 UA 85925 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 5