MD4347C1 - Senzor de gaze pe bază de MoO3 - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la tehnica semiconductorilor oxizi, în particular la senzori de gaze pe bază de oxid de molibden.Senzorul de gaze pe bază de MoO3 include un substrat dielectric, pe una din suprafeţele căruia este amplasat un strat senzitiv din MoO3, cu contacte ohmice depuse pe acesta, formând zona senzitivă, iar pe suprafaţa opusă a substratului este depus un element de încălzire. Stratul senzitiv este executat în formă de o bandă nanocristalină cu grosimea de 150 nm şi lăţimea zonei senzitive de 150 µm.

Description

Invenţia se referă la tehnica semiconductorilor oxizi, în particular la senzori de gaze pe bază de oxid de molibden.

Senzorul de gaze include un suport dielectric, pe suprafaţa căruia este depusă o peliculă sau o nanostructură sensibilă la gaze, şi este înzestrat cu două contacte ohmice. Pe suprafaţa opusă este amplasat un element de încălzire. În majoritatea cazurilor în calitate de element senzitiv la gaze se utilizează oxizi metalici sau amestecuri ale acestora, de exemplu ZnO, SnO2, MoO3, ZnO-SnO2 etc.

Sunt cunoscuţi nişte senzori de gaze pe baza peliculelor nanostructurate de MoO3 cu impurităţi de ZnO (1, 10 şi 25%) [1].

Dezavantajele acestor senzori sunt sensibilitatea mică (17…38%) la concentraţia etanolului în aer mare (250…500 ppm), şi timpuri mari de răspuns/recuperare ((30…75 s)/(25…70 s)).

Este cunoscut un senzor de etanol pe baza unui monocristal de MoO3, obţinut pe cale chimică timp de 6 zile, care se caracterizează printr-o sensibilitate la etanol de 8…12% la concentraţia etanolului în aer de 100 ppm [2].

Dezavantajul acestui senzor este temperatura înaltă de operare (260…400°C).

Cea mai apropiată soluţie este un senzor de gaze pe bază de MoO3, care include un substrat dielectric, pe una din suprafeţele căruia este amplasat un strat senzitiv de MoO3, cu contacte ohmice depuse sub acesta, iar pe suprafaţa opusă a substratului este depus un element de încălzire [3].

Dezavantajul acestui senzor este timpul mare de răspuns/recuperare (zeci de minute) la temperatura de operare de 300°C.

Problema pe care o rezolvă invenţia propusă constă în elaborarea unui senzor de gaze sensibil la etanol şi hidrogen la diferite temperaturi de operare, cu o sensibilitate înaltă şi timp mic de răspuns/recuperare.

Dispozitivul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include un substrat dielectric, pe una din suprafeţele căruia este amplasat un strat senzitiv din MoO3, cu contacte ohmice depuse pe acesta, formând zona senzitivă, iar pe suprafaţa opusă a substratului este depus un element de încălzire, caracterizat prin aceea că stratul senzitiv este executat în formă de o bandă nanocristalină cu grosimea de 150 nm şi lăţimea zonei senzitive de 150 µm.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-4 care reprezintă:

- fig. 1, construcţia senzorului (1 - substratul de Al2O3; 2 - banda nanocristalină de MoO3; 3 - contacte prealabile din pasta de argint; 4 - contacte din Cr-Au; 5 - suprafaţa sensibilă a senzorului; 6 - încălzitorul);

- fig. 2, sensibilitatea senzorului la etanol;

- fig. 3, sensibilitatea senzorului la hidrogen;

- fig. 4, dependenţa sensibilităţii senzorului pentru diferite gaze la diferite temperaturi de operare.

Exemplu de realizare a invenţiei

Pe suprafaţa unui suport (fig. 1) din ceramică 1 se fixează prealabil o bandă nanocristalină din MoO3 2, cu ajutorul pastei de argint 3. Banda are o grosime de 100…200 nm. Contactele din Cr-Au 4 se depun prin vaporizarea termică în vid. În calitate de mască pe suprafaţa benzii se fixează o sârmă din Cu cu diametrul de 150 µm. În aşa mod se formează regiunea sensibilă la gaze 5. Pe partea opusă a senzorului este confecţionat un element de încălzire 6 prin depunere serigrafică a pastei rezistive în formă de „meandru”. Caracteristica curent-tensiune a senzorului este liniară, fapt ce demonstrează că contactele din Cr-Au sunt ohmice şi nu influenţează asupra conductibilităţii senzorului. Sensibilitatea senzorului la etanol este arătată în fig. 2, unde Gg este conductibilitatea electrică a senzorului în prezenţa etanolului în aer; Ga - conductibilitatea senzorului în prezenţa aerului. Măsurările au fost efectuate la concentraţia etanolului în aer de 10 ppm şi temperatura de operare de 100…120°C. Cum se vede din fig. 2, sensibilitatea senzorului la etanol este egală cu 15%, iar timpul de răspuns/recuperare este egal cu 7/15 s. Mecanismul de sesizare a etanolului poate fi lămurit prin următoarele reacţii:

C2H5OH → C2H5OHabs → C2H5OH + + e- (1)

Reacţia globală a senzorului, care descrie răspunsul la etanol, poate fi interpretată astfel:

C2H5OH + O → CH3CHO + H2O + V0 2+ + 2e- (2)

unde V0 2+ - loc vacant de oxigen cu 2 sarcini pozitive.

Acelaşi senzor, încălzit până la temperatura de 300…350°C, îşi măreşte sensibilitatea la hidrogen. Cum se poate observa din fig. 3, sensibilitatea senzorului la H2 atinge valoarea de 40% şi un timp mic de răspuns/recuperare.

Mecanismul de sesizare a senzorului la H2 poate fi explicat astfel:

2H(abs) + O0(s) → H2O(abs) + V0 2+ + 2e- (3)

Fig. 4 arată modificarea sensibilităţii senzorului la diferite gaze în funcţie de temperatura de operare. Cum se poate observa din fig. 4, sensibilitatea senzorului la H2 se măreşte de la 20% (temperatura de operare de 100°C) până la 40% (temperatura de operare de 300°C). Adică acelaşi senzor pe baza unei benzi din MoO3 cu grosimea 150 nm poate fi utilizat pentru detectarea etanolului la temperatura de operare de 100°C şi pentru detectarea hidrogenului la temperatura de operare de 300°C.

1. Navas Illyaskutty et al. Enhanced ethanol sensing response from nanostructured MoO3 : ZnO thin films and their mechanism of sensing, Materials Chemistry C, 2013, p. 3976 - 3984

2. Chen D. et al. Single - crystalline MoO3 nanoplates: topochemical synthesis and enhanced ethanol-sensing performance. J. Material Chemistry, 21, 2011, p. 9332 - 9342

3. Navas Illyaskutty et al. Hydrogen and ethanol sensing properties of molybdenum oxide nanorods thin films: Effect of electrode metallization and humid ambiance. Sensors and actuators B: Chemical, 187, 2013, p. 611 - 621

Claims (1)

1. Senzor de gaze pe bază de MoO3, care include un substrat dielectric, pe una din suprafeţele căruia este amplasat un strat senzitiv din MoO3, cu contacte ohmice depuse pe acesta, formând zona senzitivă, iar pe suprafaţa opusă a substratului este depus un element de încălzire, caracterizat prin aceea că stratul senzitiv este executat în formă de o bandă nanocristalină cu grosimea de 150 nm şi lăţimea zonei senzitive de 150 µm.