BR112019010202A2

BR112019010202A2 - sensor de gás e método de fabricação de um sensor de gás

Info

Publication number: BR112019010202A2
Application number: BR112019010202A
Authority: BR
Inventors: Pramanik Amitava; Muralidharan Girish; Ramanath Bhat Navakanta; Muthu Kannan Srinidhi; Umashankar Mishra Vijay
Original assignee: Indian Inst Scient; Unilever Nv
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-09-03
Also published as: WO2018091293A1; BR112019010202B1; CL2019001361A1; PH12019500691A1; EP3542152B1; CN110088607A; EA037632B1; PH12019500691B1; EA201991242A1; EP3542152A1; CN110088607B

Abstract

a invenção refere-se a um sensor de gás para detectar um componente de gás. o sensor de gás compreende uma camada sensível, um primeiro e um segundo eletrodo e um elemento de aquecimento. a camada sensível compreende 20-95% em peso de óxido de tungstênio e 5-80% em peso de tungstênio elementar. a combinação de óxido de tungstênio e tungstênio elementar constitui pelo menos 60% em peso da camada sensível. a invenção refere-se ainda a um método de fabricação de um sensor de gás que compreende a etapa de depositar a camada sensível por deposição física de vapor.

Description

“SENSOR DE GÁS E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM SENSOR DE GÁS” Campo da Invenção [001] A invenção refere-se a um sensor de gás para detectar um componente de gás, em particular para detectar compostos sulfurosos.

[002] A invenção refere-se ainda a um método para fabricação de um tai sensor de gás.

Antecedentes da Invenção [003] Compostos sulfurosos gasosos estão frequentemente presentes como poluentes, por exemplo, no processos industriais. Como compostos sulfurosos podem ser tóxicos em baixas concentrações, é importante detectar tais compostos em baixas concentrações. Sulfeto de hidrogênio (H2S), por exemplo, é um gás sem cor que tem um odor desagradável e forte toxicidade. O H2S é uma neurotoxina química, que provoca irritação, asfixia e danos a glóbulos vermelhos em seres humanos. Embora 0 H2S possa ser detectado pelo nariz humano em níveis baixos (tão baixo quanto 0,5 ppb), 0 H2S paralisa 0 nervo olfatório após algumas inalações, incapacitando 0 sentido do olfato.

[004] Sensores de gás do tipo semicondutor são conhecidos na técnica. Tais sensores contam com a mudança de resistência ou condutância do material da camada de detecção, quando expostos a certos gases. Sensores de gás do tipo semicondutor tipicamente compreendem óxidos metálicos como SnO2, WO3, T1O3 e ZnO.

[005] Geralmente, os óxidos metálicos são preparados e processados em uma pasta para formar películas sobre um substrato, tal como um substrato de silica ou de alumina.

[006] Embora os sensores de gases semicondutores conhecidos na arte tenham muitas vantagens, tais como sua estrutura simples, a facilidade de utilização, baixo custo de fabricação e de baixos custos de manutenção, os

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2/16 sensores de gases semicondutores conhecidos na técnica também têm desvantagens, tais como a sensibilidade insuficiente (limite de alta detecção), em particular para os compostos sulfurados tais como, por exemplo, sulfeto de hidrogênio (H2S). Os sensores de gás semicondutores conhecidos na técnica geralmente não detectam sulfeto de hidrogênio abaixo de 100 ppb (partes por bilhão) e se detectam sulfeto de hidrogênio em baixa concentração, 0 tempo de resposta e 0 tempo de recuperação dos sensores de gás é inaceitavelmente longo (na ordem de 100 segundos). Próximo ao limite de detecção, os tempos de resposta e os tempos de recuperação de um sensor de gás são de suma importância para aplicações práticas. Sem recuperação rápida, um sensor de gás pode não ser capaz de informar se um ou vários vazamentos ocorreram em curta sucessão ou quanto gás escapou.

[007] O documento US 2014/138259 AA (THE UNIV OF CALIFORNIA) descreve sensores de gás compreendendo um elemento de detecção de gás compreendendo nanopartículas de óxido de tungstênio e um elemento de aquecimento de película fina.

[008] O documento US 2009/159446 AA (GENERAL ELETRIC CO) descreve um sensor de gás incluindo uma camada sensível a gás compreendendo óxido de tungstênio deficiente em oxigênio dopado e um dopante. O sensor é capaz de detectar pelo menos um gás selecionado a partir do grupo que consiste em NO, NO2, SOx, O2, H2O e NH3.

[009] O documento US 5,621162 A (LG, 1997) descreve um sensor de gás para detectar um componente de gás sulfúrico compreendendo: uma camada sensível contendo uma mistura de SnÜ2 e WO₃;

primeiro e segundo eletrodos acoplados através da dita camada sensível;

um aquecedor para aquecer 0 sensor de gás a uma

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3/16 temperatura de operação de detecção.

[0010] O documento US 5.321.146 A (EASTMAN KODAK CO, 1994) descreve sensores de gás de sulfeto de hidrogênio que compreendem uma camada sensível baseada em WOs.

Descrição Resumida da Invenção [0011] É um objeto da presente invenção fornecer um sensor de gás para detectar um componente do gás, em particular os componentes dos gases sulfurosos, tais como sulfeto de hidrogênio (H2S).

[0012] É outro objetivo da presente invenção fornecer um sensor de gás que permita a detecção de componentes de gás sulfuroso a baixa concentração.

[0013] Além disso, é um objetivo da presente invenção fornecer um sensor de gás, em particular, para detectar componentes de gás sulfuroso com baixo tempo de resposta e baixo tempo de recuperação.

[0014] É um outro objetivo da presente invenção fornecer um método de fabricação de um sensor de gás.

Breve Descrição dos Desenhos [0015] A figura 1 mostra uma ilustração esquemática de uma forma de realização de um sensor de gás de acordo com a presente invenção.

[0016] A Figura 2 mostra uma representação gráfica da resposta de um sensor de gás de acordo com a presente invenção quando exposto a diferentes concentrações de sulfeto de hidrogênio.

Descrição Detalhada da Invenção [0017] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção refere-se a um sensor de gás para detectar um componente de gás compreendendo:

uma camada sensível compreendendo 20 a 95% em peso de óxido de tungstênio e 5 a 80% em peso de tungstênio elementar, a

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4/16 combinação de óxido de tungstênio e tungstênio elementar constituindo pelo menos 60% em peso da camada sensível;

um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, os referidos primeiro e segundo eletrodos sendo acoplados eletronicamente através da camada sensível;

um elemento de aquecimento capaz de aquecer a camada sensível até uma temperatura de pelo menos 150 °C.

[0018] A camada sensível de um sensor de gás de acordo com a presente invenção compreende óxido de tungstênio bem como tungstênio elementar. Isso significa que o tungstênio está presente na camada sensível como óxido e como metal. A presença de óxido de tungstênio e de tungstênio elementar pode ser confirmada por espectroscopia fotoeletrônica de raios-X (XPS).

[0019] De preferência, a camada sensível do sensor de gás compreende entre 30 e 90% em peso, mais preferencialmente entre 35 e 80% em peso e mais preferencialmente entre 40 e 60% em peso óxido de tungstênio.

[0020] O tungstênio elementar está preferencialmente presente na camada sensível em uma concentração entre 10 e 70% em peso, mais preferencial mente entre 20 e 65% em peso e mais preferencial mente entre 40 e 60% em peso.

[0021] A combinação de óxido de tungstênio e tungstênio elementar constitui de preferência pelo menos 60% em peso da camada sensível. Mais preferencialmente, a combinação de óxido de tungstênio e tungstênio elementar constitui pelo menos 70% em peso, pelo menos 80% em peso, pelo menos 90% em peso, pelo menos 95% em peso da camada sensível.

[0022] A camada sensível pode conter dopantes de metal adicionais, como ouro, paládio e/ ou platina. Tipicamente, a concentração de dopante na camada sensível é inferior a 10%, mais preferivelmente inferior a 5%.

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5/16 [0023] Em formas de realização preferidas, a camada sensível tem uma espessura que varia entre 50 nm e 1000 nm. Mais preferivelmente, a camada sensível tem uma espessura que varia entre 100 nm e 800 nm ou entre 100 nm e 500 nm, como por exemplo 150 nm ou 200 nm.

[0024] A camada sensível tem preferencialmente uma rugosidade superficial inferior a 50 nm. Mais preferivelmente, a camada sensível tem uma rugosidade superficial inferior a 20 nm, mais preferencialmente inferior a 10 nm. A rugosidade superficial da camada sensível pode ser determinada por Microscopia de Força Atômica (AFM).

[0025] Opcionalmente, o sensor de gás de acordo com a presente invenção pode compreender uma ou mais camadas sensíveis adicionais além da camada sensível compreendendo óxido de tungstênio e tungstênio elementar como especificado acima.

[0026] O primeiro eletrodo e o segundo eletrodo são acoplados eletronicamente através da camada sensível para medir a resistividade ou condutividade ou a mudança na resistividade ou a mudança na condutividade. O primeiro e o segundo eletrodos estão de preferência em comunicação com a camada sensível.

[0027] De preferência, o primeiro e o segundo eletrodos estão embutidos no material da camada sensível.

[0028] O primeiro eletrodo e o segundo eletrodo são preferencialmente posicionados a uma distância um do outro que esteja na faixa de 1 a 1000 pm, mais preferencialmente na faixa de 2 a 500 pm e mais preferencialmente na faixa de 5 a 100 pm.

[0029] O primeiro eletrodo e o segundo eletrodo compreendem preferencialmente um ou mais materiais de eletrodo selecionados a partir de ouro, prata, platina, paládio, titânio, índio, óxido de índio e estanho (ITO), carbono e combinações dos mesmos.

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6/16 [0030] O elemento de aquecimento do sensor de gás é capaz de elevar a temperatura da camada sensível para uma faixa que produz sensibilidade e tempo de resposta ótimos para o gás a ser detectado. Qualquer tipo de elemento de aquecimento conhecido na técnica pode ser considerado. Em uma forma de realização preferida, o elemento de aquecimento compreende um ou mais fios de metal ou de liga de metal ou camadas de metal ou de liga de metal, por exemplo um ou mais fios de platina ou de liga de platina ou uma ou mais camadas de platina ou de liga de platina.

[0031] De preferência, o elemento de aquecimento é capaz de aquecer a camada sensível até uma temperatura de pelo menos 180 °C. Mais preferivelmente, o elemento de aquecimento é capaz de aquecer a camada sensível até uma temperatura que varia entre 200 e 350 °C, como por exemplo a uma temperatura de 250 °C ou 300 °C.

[0032] Em uma forma de realização preferida, o sensor de gás de acordo com a presente invenção compreende ainda um sensor de temperatura que é capaz de gerar uma saída que é indicativa da temperatura da camada sensível.

[0033] O sensor de temperatura compreende preferencialmente um dispositivo de temperatura resistiva, um termopar, um sensor de temperatura de lacuna de banda de silício ou uma combinação dos mesmos. O sensor de temperatura pode compreender adequadamente uma camada de metal ou de liga de metal, por exemplo, uma camada de metal ou de liga de metal disposta adjacente à camada sensível.

[0034] O sensor de gás de acordo com a presente invenção é de preferência configurado para detectar um composto sulfuroso volátil, mais particularmente um composto sulfuroso selecionado a partir de sulfeto de hidrogênio, de metano tiol, sulfeto de dimetila e combinações dos mesmos. Mais preferencialmente, o sensor de gás é configurado para detectar o sulfeto de

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7/16 hidrogênio.

[0035] Em uma forma de realização preferida da invenção, o sensor de gás gera um sinal que é indicativo da concentração de um componente de gás em um gás que está em contato direto com a camada sensível. De acordo com uma forma de realização particularmente preferida, o sensor de gás é capaz de gerar um sinal que é indicativo da concentração de sulfeto de hidrogênio, metano diol e/ ou sulfeto de dimetila em um gás que está em contato direto com a camada sensível.

[0036] O limite de detecção do sensor de gás para um ou mais compostos sulfurosos selecionados a partir de sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila é inferior a 50 ppb, mais preferivelmente inferior a 30 ppb e mais preferencial mente inferior a 20 ppb.

[0037] O limite de detecção de um sensor de gás é definido como a menor concentração de um composto que pode ser detectada pelo sensor sob as dadas condições, particularmente sob a dada temperatura.

[0038] Um sensor de gás de acordo com a presente invenção tem preferencialmente um tempo de resposta para um ou mais compostos voláteis em um gás e mais particularmente para um ou mais compostos voláteis em um gás selecionado a partir de sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila inferior a 10 segundos. Mais preferencialmente, o sensor de gás tem um tempo de resposta para um ou mais compostos voláteis em um gás selecionado a partir de sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila inferior a 5 segundos, mais preferivelmente inferior a 3 segundos [0039] O tempo de resposta de um sensor de gás é definido como o tempo necessário para um sensor responder a um caso de alteração da concentração de zero a uma certa concentração.

[0040] Um sensor de gás de acordo com a presente invenção tem preferivelmente um tempo de recuperação para um ou mais compostos voláteis

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8/16 em um gás e mais particularmente para um ou mais compostos voláteis em um gás selecionado a partir de sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila de menos de 10 segundos. De um modo mais preferido, o sensor de gás tem um tempo de recuperação para um ou mais compostos voláteis em um gás selecionado a partir de entre sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila de menos de 5 segundos ou menos de 3 segundos.

[0041] O tempo de recuperação de um sensor de gás é definido como o tempo que leva para um sinal do sensor retornar ao valor da linha de base após um caso de mudança de concentração a partir de um determinado valor para zero.

[0042] De acordo com uma forma de realização particularmente preferida, o tempo de resposta bem como o tempo de recuperação para um ou mais compostos voláteis em um gás e mais particularmente de um ou mais compostos voláteis em um gás selecionado a partir de sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila, é menor do que 10 segundos.

[0043] Em uma forma de realização vantajosa da presente invenção, o sensor de gás é configurado para detectar um componente de gás individual, tal como sulfeto de hidrogênio, metano tiol ou sulfeto de dimetila.

[0044] Em uma outra forma de realização, o sensor de gás é configurado para detectar mais de um componente em um gás simultaneamente. Outros componentes de interesse que podem ser detectados simultaneamente com sulfeto de hidrogênio, metano tiol e/ ou sulfeto de dimetila incluem hidrogênio (H2), propane (CsHs), dióxido de nitrogênio (NO2), amônia (NH3), óxido nítrico (NO), dióxido de enxofre (SO2) e dióxido de carbono (CO2).

[0045] Em uma forma de realização preferida, um sensor de gás de acordo com a presente invenção compreende uma estrutura em camadas compreendendo uma camada de substrato;

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9/16 uma camada de aquecimento; e a camada sensível.

[0046] A camada de aquecimento funciona como um elemento de aquecimento capaz de aquecer a camada sensível. A camada de aquecimento está preferencialmente localizada entre a camada de substrato e a camada sensível. A camada de aquecimento é, por exemplo, disposta adjacente à camada de substrato, adjacente à camada sensível ou adjacente à camada de substrato e à camada sensível.

[0047] A camada de substrato compreende de preferência um substrato de silica, um substrato de alumina ou zircônia um substrato, por exemplo, a um substrato de zircônia estabilizado com ítria. Em uma forma de realização particularmente preferida, a camada de substrato compreende uma bolacha de silício.

[0048] Em outra forma de realização preferida, o sensor de gás de acordo com a presente invenção compreende uma estrutura em camadas que compreende uma camada de substrato;

uma camada de aquecimento;

uma camada isolante; e a camada sensível.

[0049] A camada de aquecimento e a camada isolante estão preferencialmente localizadas entre a camada de substrato e a camada sensível. Mais preferencialmente, a camada isolante está localizada entre a camada de aquecimento e a camada sensível. A camada isolante ajuda a reduzir a corrente de vazamento e, assim, melhora a sensibilidade do sensor de gás.

[0050] A camada isolante está preferencialmente localizada adjacente à camada sensível.

[0051] A camada isolante compreende, de preferência, uma

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10/16 camada feita de dióxido de silício. A camada isolante tem preferencialmente uma espessura que varia entre 2 e 1000 nm, mais preferivelmente na faixa entre 5 e 500 nm.

[0052] A estrutura em camadas pode ainda compreender um sensor de temperatura. O sensor de temperatura está preferencialmente localizado adjacente à camada sensível.

[0053] Um segundo aspecto da presente invenção refere-se a um método de fabricação de um sensor de gás como definido aqui, o dito método compreendendo a etapa de preparar a camada sensível por deposição física de vapor (PVD). Em um método físico de deposição de vapor, um processo físico é usado para produzir um vapor de um material que é então depositado no substrato a ser revestido. Um método físico de deposição de vapor preferido compreende pulverização catódica.

[0054] Em formas de realização preferidas, a camada sensível é obtida por deposição por pulverização a partir de um alvo de pulverização de tungstênio metálico. Mais preferivelmente, a camada sensível é obtida por pulverização catódica (por exemplo, pulverização catódica DC) da camada sensível a partir de um alvo de pulverização de tungstênio metálico com oxigênio ou uma combinação de oxigênio e argônio como gás de pulverização. Pelo menos parte do tungstênio é convertido em óxido de tungstênio, por exemplo, WO3 ou sub-estequiométrico ou WO3 deficiente em oxigênio.

[0055] Em formas de realização alternativas, a camada sensível obtida por deposição por pulverização (utilizando, por exemplo, pulverização RF) partindo de um alvo de pulverização de óxido de tungstênio, por exemplo com argônio como gás de pulverização ou com uma combinação de argônio e óxido como gás de pulverização.

[0056] A pulverização catódica da camada sensível pode compreender pulverização catódica DC (reativa) ou pulverização catódica RF.

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11/16 [0057] A presente invenção irá ser descrita abaixo com respeito a formas de realização particulares e com referência aos desenhos, mas a invenção não se limita a estas formas de realização particulares. Os desenhos são apenas esquemáticos e o tamanho de alguns dos elementos pode ser exagerado e não ser dimensionado para fins ilustrativos.

[0058] A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática de uma forma de realização de um sensor de gás (1) de acordo com a presente invenção.

[0059] O sensor de gás (1) compreende uma camada sensível (2), um primeiro e segundo eletrodos (3) e um elemento de aquecimento (4). A camada sensível (2), o primeiro e o segundo eletrodos (3) e o elemento de aquecimento (4) são de preferência depositados sobre uma camada de substrato (5). O sensor de gás (1) compreende ainda um sensor de temperatura (6) (não mostrado) e uma camada isolante (7).

[0060] A camada de substrato (5) compreende por exemplo uma bolacha de silício.

[0061] A camada sensível (2) compreende entre 20 e 95% em peso de óxido de tungstênio e entre 5 e 80% em peso de tungstênio elementar. A combinação de óxido de tungstênio e tungstênio elementar constitui pelo menos 60% em peso da camada sensível (2). A presença de óxido de tungstênio e de tungstênio elementar é confirmada por espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS).

[0062] A camada sensível (2) tem uma espessura de -200 nm e uma rugosidade medida por Microscopia de Força Atômica (AFM) de 2,9 nm.

[0063] O primeiro e segundo eletrodos (3) compreendem, por exemplo, platina. O primeiro e o segundo eletrodos (3) estão preferencialmente espaçados um do outro por 10 a 30 pm de distância. Eletrodos interdigitados pode adequadamente ser utilizados como primeiro e segundo eletrodos (3).

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12/16 [0064] O elemento de aquecimento (4) compreende, por exemplo, platina e permite aquecer a camada sensível (2) a uma temperatura operacional superior a 100 °C.

[0065] O sensor de temperatura (6) compreende, por exemplo, uma camada de metal, preferivelmente platina.

[0066] A camada isolante (7) compreende, por exemplo, uma camada de S1O2, tal como uma camada S1O2 com uma espessura de 500 nm.

[0067] A invenção é ainda ilustrada pelos seguintes exemplos não limitativos

Exemplos

Exemplo 1 [0068] Um sensor de gás de acordo com a presente invenção foi preparado como descrito abaixo.

[0069] Uma bolacha de silício tipo p <100> tendo um tamanho de 1 centímetro x 1 centímetro foi primeiro limpa em uma solução RCA-1 (NH4OH: H2O2: H2O = 1: 1:5) seguido por limpeza em uma solução de RCA-2 (HCI: H2O2: H2O =1:1:6). Subsequentemente, a bolacha de silício foi lavada em água desionizada e mergulhada em uma solução diluída de HF para remover qualquer óxido à superfície.

[0070] Sobre 0 substrato limpo uma camada de S1O2 foi crescida por oxidação térmica em um forno pirogênico por um processo de oxidação seco-molhado-seco. O forno foi primeiro colocado a 600 °C antes dos substratos serem carregados. Em seguida, 0 forno foi aumentada para 1100 °C em N2 ambiente (5 litros/ min). Uma vez que a temperatura estava estável a 1100 °C, a purga de gás N2 para dentro do forno foi parado e a oxidação a seco foi iniciada durante 15 minutos em O2 (5 litros/ minuto) para obter uma boa interface entre 0 silício e 0 S1O2 crescido.

[0071] Como a taxa de crescimento obtida pela oxidação a seco

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13/16 foi baixa, a oxidação a seco foi seguida por oxidação úmida durante 3 horas em H2 (4 litros/ min) e 02(2 litros/ min). A oxidação úmida leva a um crescimento mais rápido, mas a uma menor qualidade do S1O2 comparado ao S1O2 obtido por oxidação a seco. Portanto, outra etapa de oxidação a seco foi realizada por 1)5 minutos em ambiente de O2 (5 litros/ min) para 0 crescimento de S1O2 no topo do S1O2 crescido por oxidação úmida. O forno foi subsequentemente reduzido a 500 °C e as amostras foram descarregadas.

[0072] Uma camada sensível compreendendo óxido de tungstênio e tungstênio elementar foi depositada na bolacha de silício oxidado usando um magnetron catódico de Corrente Contínua (CC) (TECPORT DC). O alvo de pulverização compreendia um alvo de 3 polegadas de tungstênio (W). A distância entre 0 alvo de pulverização e da bolacha de silício oxidada foi fixada em 7,5 cm. A câmara de vácuo foi primeiro evacuada para uma pressão de base de 6 x 10’⁶ T. Então gás argônio (200 sccm) foi deixado entrar na câmara para criar a pressão de deposição de 6 x 10’⁴ T. Uma fonte CC de 100 W foi aplicada ao alvo e à pré-pulverização catódica foi feito por 1200 segundos. O oxigênio gasoso (200 sccm) foi depois deixado entrar na câmara a vácuo para criar 0 plasma para depositar 0 óxido de tungstênio. O alvo de pulverização foi aberto para expor as amostras ao plasma. O tempo de deposição foi de 2300 segundos que resultou em uma camada sensível tendo uma espessura de 170 nm. As amostras obtidas eram rosadas. Ao variar 0 tempo de deposição, camadas sensíveis tendo várias espessuras podem ser obtidas.

[0073] Para aplicar os eletrodos, as amostras obtidas foram submetida a uma etapa de processo de foto-litografia, uma etapa de processo de deposição de eletrodo e uma etapa de processo de descolagem. Amostras foram primeiro limpas com acetona e isopropanol, respectivamente. Posteriormente, as amostras foram enxaguadas com água desionizada, seguida de um sopro de nitrogênio e secagem. Em uma etapa seguinte as

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14/16 amostras foram assadas em uma placa quente a 250 °C durante 15 minutos para desidratar.

[0074] Uma camada positiva de foto resistência AZ 5214E foi aplicada por revestimento rotativo a 500 rpm durante 5 segundos, 4000 rpm durante 40 segundos e 500 rpm durante 5 segundos. As amostras foram em seguida, imediatamente pré-assadas a 110 °C durante 1:10 min e foram colocadas durante 2 minutos em relaxamento. Posteriormente, as amostras foram expostas à luz UV através de uma máscara de cromo com padrão de capacitor interdigitado (IDC). A exposição a UV foi realizada usando um sistema EVG Mask Aligner. A dose de exposição a UV foi de 45 mJ/ cm². Após a exposição aos raios UV, as amostras foram desenvolvidas usando revelador MF 26A por 25 segundos e foram então imediatamente mergulhadas em água. Finalmente, as amostras foram enxaguadas com água desionizada e foram secas com N2 gasoso.

[0075] Após a etapa do processo de foto-litografia, as amostras foram carregadas em um sistema de magnetron de pulverização catódica (um magnetron TECPORT) por pulverização catódica de Ti/ Pt. A pulverização catódica foi feita a partir de um alvo de 3 polegadas de Ti e Pt a uma pressão de 6 x 10’⁶ T. O tempo de deposição variou entre 10 segundos e 90 segundos, 0 que resultou em uma espessura dos eletrodos que variam entre 10 nm e 90 nm. O fluxo do gás argônio foi mantido a 200 seem. A deposição de Ti foi realizada em 40 segundos, utilizando uma fonte de alimentação CC 150 W. A deposição de Pt foi realizada durante 300 segundos usando uma fonte de alimentação CC de 35 W.

[0076] Para 0 processo de descolamento, as amostras foram colocados em uma placa de Petri preenchida com acetona e foram mantidas em um sistema de ultra-sonicador por 1 minuto. Isto resultou em um descolamento mais rápido do metal, deixando uma estrutura de eletrodo

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15/16 sensível interdigitado limpa na parte superior das amostras. As amostras foram em seguida enxaguadas em isopropanol seguido de enxágue em água desionizada e secas por ventilação utilizando gás N2.

Exemplo Comparativo A [0077] Um outro sensor de gás, de acordo com a presente invenção, foi preparado limpando e oxidando uma bolacha de silício do tipo p da mesma maneira que no Exemplo 1.

[0078] Em seguida, uma camada sensível compreendendo óxido de tungstênio foi depositada sobre a bolacha de silício oxidada usando um magnetron de pulverização de radiofrequência (RF) (TECPORT RF). O alvo de pulverização compreendia um alvo de óxido de tungstênio de 3 polegadas (WO3). A distância entre 0 alvo de pulverização e a bolacha de silício oxidado foi fixada em 7,5 cm. A câmara a vácuo foi primeiro evacuada para uma pressão de base de 6 x 10’⁵ T. Então gás argônio (200 sccm) foi deixado na câmara para criar a pressão de deposição de 6 x 10’³ T. Uma fonte de RF de 100 W foi aplicada ao alvo e a pré-pulverização foi feita por 900 segundos. O alvo de pulverização foi aberto para expor as amostras ao plasma. O tempo de deposição foi de 1800 segundos que resultou em uma camada sensível tendo uma espessura variando entre 160 e 170 nm. As amostras obtidas pareciam rosadas. Ao variar 0 tempo de deposição, podem ser obtidas camadas de detecção com várias espessuras.

[0079] Subsequentemente, as amostras foram submetidas a uma etapa do processo de fotolitografia, uma etapa de deposição do eletrodo e uma etapa do processo de descolamento, como descrito no Exemplo 1.

Exemplo 2 [0080] As camadas sensíveis dos sensores do Exemplo 1 e do exemplo comparativo A foram caracterizadas por difração de raios X (XRD, Rigaku, Cu-Κα), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS, Krotos,

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16/16 radiação ΑΙ-Κα), microscópio eletrônico de varredura (Carl Zeiss FESEM) para determinar e caracterizar sua estrutura, composição química, morfologia e distribuição do tungstênio elementar versus óxidos de tungstênio.

[0081] O espectros de XRD confirmaram a fase monoclínica de WO3 de ambas as camadas sensíveis. O tamanho de grão calculado para ambos é ~10nm. Os espectros XPS mostraram a presença de ambos os picos de tungstênio e de óxido de tungstênio na camada sensível pulverizada CC do Exemplo 1, ao passo que apenas picos de óxido de tungstênio foram observados na camada sensível pulverizada RF do Exemplo Comparativo A. Isto confirma apenas conversão parcial de tungstênio em óxido de tungstênio através de pulverização CC.

Exemplo 3 [0082] A sensibilidade do sensor de gás do Exemplo 1 e Exemplo Comparativo A a H2S foi testado dentro de uma câmara de gás com aquecimento controlado do substrato. A atmosfera dentro da câmara de gás era controlada precisamente pelo sistema de mistura de gás baseado em controladores eletrônicos de fluxo de massa. As medições foram feitas com uma unidade Keithley Source Measure (SMU-237).

[0083] A resposta do sensor de gás de acordo com a presente invenção a concentrações decrescentes de sulfeto de hidrogênio foi determinada, mantendo a temperatura da camada sensível entre 250 °C e 270 °C.

[0084] Os resultados desse teste de responsividade são mostrados na Figura 2 e na Figura 3.

Claims

Reivindicações

1. SENSOR DE GÁS (1) para detectar um componente de gás, caracterizado pelo fato de que compreende:

• uma camada sensível (2) compreendendo 20 a 95% em peso de óxido de tungstênio e 5 a 80% em peso de tungstênio elementar, a combinação de óxido de tungstênio e tungstênio elementar constituindo pelo menos 60% em peso da camada sensível (2);

• um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo (3), o referido primeiro e segundo eletrodos (3) sendo acoplados eletronicamente através da camada sensível (2);

• um elemento de aquecimento (4) capaz de aquecer a camada sensível (2) até uma temperatura de pelo menos 150 °C.
2. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada sensível (2) tem uma espessura na faixa de 50 a 1000 nm.
3. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a camada sensível (2) tem uma rugosidade superficial inferior a 50 nm.
4. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) compreende ainda um sensor de temperatura (6) que é capaz de gerar uma saída que é indicativa da temperatura do sensor (2).
5. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) está configurado para detectar um ou mais compostos sulfurosos voláteis selecionados a partir de sulfeto de hidrogênio, metano tiol e sulfeto de dimetila.
6. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) está configurado para gerar

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2/3 uma saída que é indicativa da concentração de um ou mais compostos sulfurosos voláteis em um gás que está em contato direto com a camada sensível (2).
7. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 6, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) tem um limite de detecção para um ou mais compostos sulfurosos voláteis de menos de 50 ppb.
8. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) tem um tempo de resposta, para um ou mais compostos sulfurosos voláteis, inferior a 10 segundos.
9. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) tem um tempo de recuperação, para um ou mais compostos sulfurosos voláteis, inferior a 10 segundos.
10. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o sensor de gás (1) compreende um laminado compreendendo:

• uma camada de substrato (5);

• uma camada de aquecimento (4);

• uma camada isolante (7); e • a camada sensível (2);

em que a camada de aquecimento (4) e a camada isolante (7) estão localizadas entre a camada de substrato (5) e a camada sensível (2), sendo a camada isolante (7) localizada entre a camada de aquecimento (4) e a camada sensível (2).
11. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a camada de substrato é uma bolacha de silício.
12. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das

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3/3 reivindicações 10 a 11, caracterizado pelo fato de que a camada isolante (7) tem uma espessura de 2 a 1000 nm e é feita de dióxido de silício.
13. SENSOR DE GÁS (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de que a camada isolante (7) está localizada adjacente à camada sensível (2).
14. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM SENSOR DE GÁS (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o referido método compreende deposição da camada sensível por deposição física de vapor (PVD).
15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o método compreende a deposição da camada sensível por pulverização catódica a partir de um alvo de pulverização de tungstênio ou por pulverização catódica a partir de um alvo de pulverização de óxido de tungstênio.