CZ305229B6 - Konstrukce chemického nanosenzoru - Google Patents
Konstrukce chemického nanosenzoru Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305229B6 CZ305229B6 CZ2011-411A CZ2011411A CZ305229B6 CZ 305229 B6 CZ305229 B6 CZ 305229B6 CZ 2011411 A CZ2011411 A CZ 2011411A CZ 305229 B6 CZ305229 B6 CZ 305229B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- nanosensor
- chemical
- nanomaterial
- ppb
- nanomaterials
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Řešení se týká konstrukce chemického odporového nanosenzoru tvořeného alespoň jednou nanotyčinkou (3) s odporovým chováním jako základní jednotkou vyrobenou ze dvou nebo více typů nanomateriálů (4, 5), kde nanotyčinka (3) je umístěna ve vertikální nebo horizontální poloze mezi dvěma planárními elektrodami (2), připevněnými na nosné desce. Chemický nanosenzor umožňuje dosažení limitu detekce kapalin i plynů 1 ppb a méně.
Description
Konstrukce chemického nanosenzoru
Oblast techniky
Vynález se týká konstrukce chemického monosenzoru jako pasivního odporového převodníku umožňujícího dosažení limitu detekce roztoků i plynů 1 ppb a méně.
Dosavadní stav techniky
Miniaturní chemické senzory jsou obvykle tvořeny planámí (sendvičovou) strukturou vrstev obsahující nanokrystaly nebo molekuly, přičemž elektrody jsou obvykle vjedné rovině. Chemické senzory pracují na principu redox nebo výměnné reakce na elektrodě a teplotně-odporové senzory plynů pracují na principu změny odporu polovodivého oxidu kovů mezi elektrodami v přítomnosti kyslíku za zvýšené pracovní teploty tohoto materiálu. Jedná se tedy o odporový princip převodu chemických látek. Redox reakce probíhá obvykle na Au, Pt nebo uhlíkové elektrodě. Na elektrody mohou být navázány jednoduché i složitější molekuly zvyšující specifickou citlivost na určité chemické nebo biologické látky. Na detekci plynů se užívají citlivé polovodivé oxidové materiály, jako jsou např. WO3, SnO2, TiO2, ZnO, In2O3 a další.
Doposud byly hledány materiály s vysokou citlivostí, hlavně na bázi polovodivých oxidů kovů deponovány planámě [1,2], které byly z hlediska konstrukce mikrosenzoru použity kompromisně mezi aktivní plochou a celkovými rozměry senzoru. Citlivosti bylo dosahováno různými způsoby jako například změnou pracovní teploty [3] nebo tenkou mikromembránou s nanočásticemi [46]. Díky dobrým citlivostem materiálu bylo možné dosáhnout detekčních limitů pod 1 ppm, některé práce dosáhly až na úroveň desítek ppb. Při velmi malých plochách u mikrosenzorů je však odezva poměrně malá, čímž je obtížné dosáhnout velmi nízkých detekčních limitů. U teplotněodporových senzorů plynů se citlivost vyjadřuje jako poměr mezi odporem v přítomnosti plynu a odporem ve vzduchové atmosféře; zvětšení plochy nanostrukturami není podstatný, protože se projeví stejnou změnou odporu na obou stranách poměru. Existuje také provedení vytvořené pomocí lokální anodizace [7] vytvořené pomocí moderní techniky na bázi SPM, obvykle jako možnost mikroskopu AFM, kteiý může za pomoci hrotu se špičkou o velikosti několik desítek nanometrů vytvářet anodizované nanopole, která však netvoří nanosenzory podle vynálezu.
Prokázalo se, že nanomateriály jsou schopné vytvořit nanostrukturovaný povrch elektrody a tím zvětšit její plochu a navíc se ukazuje, že materiály s nanometrickými rozměry mohou kvalitativně změnit chování senzoru, například směrem ke zvýšení citlivosti a/nebo snížení limitů detekce. Pro vytváření nanostruktur v pórech lze využít technik naprašování, impregnace ze sol-gel roztoku, chemické nebo elektrochemické depozice. Současné technologie umožňující využití nanočástic dosáhly velmi dobrých citlivostí.
Nanosenzor založený na nanodrátech z jednoho materiálu mezi elektrodami z každé strany je znám [8]. Nanodrát je mnohem delší než jeho průměr, což činí problémy sjeho mechanickou stabilitou. Princip snímání je založen na generování potenciálu materiálem mezi elektrodami v závislosti na koncentraci detekované látky, nejde tedy o odporový charakter snímání.
Dosud však nebyl vytvořen nanosenzor, pro detekci kapalin i plynů s citlivostí menší než 1 ppm, který by měl široké praktické využití a jehož výroba by byla snadná a finančně nenáročná.
Podstata vynálezu
Výše uvedený nedostatek řeší konstrukce chemického nanosenzoru, jehož princip spočívá v tom, že je tvořen alespoň jednou nanotyčinkou tvořenou minimálně ze dvou nanomateriálů, umístěnou
- 1 CZ 305229 B6 ve vertikální nebo horizontální poloze mezi dvěma planárními elektrodami, připevněnými na nosné desce, přičemž se v závislosti na měřené detekované látce mění odpor nanosenzoru, kde konstrukce vytváří pasivní odporový převodník. Tato konstrukce nanosenzoru umožňuje dosažení limitu detekce 1 ppb a méně.
Tyčinka nanosenzoru je podle vynálezu tvořena minimálně dvěma typy nanomateriálu (obr. 3). Tyčinka nanosenzoru může být tvořena jedním a více nanomateriály citlivých na chemické látky.
Podle výhodného provedení podle vynálezu je tyčinka nanosenzoru tvořena dvěma typy nanomateriálů, kde jeden nanomateriál tvoří vodivý nebo odporový prvek a druhý nanomateriál nanotyčinky je dielektrický materiál.
Podle jiného výhodného provedení podle vynálezu je tyčinka nanosenzoru tvořena dvěma typy nanomateriálů, kde jeden nanomateriál tvoří citlivou část a druhý nanomateriál působí jako katalyzátor nebo zvyšuje citlivost prvního nanomateriálu.
V případě, že je nanotyčinka tvořena dvěma a více typy nanomateriálů, je rozdělena na tři části, kdy krajní části jsou spojeny s planámí horní a spodní elektrodou a prostřední část je tvořena jedním a více citlivými materiály a katalyzátory s odporovým nebo vodivým charakterem nebo krajní části jsou vodivé nebo odporové a jsou spojeny s planámí horní a spodní elektrodou a prostřední část je dielektrická. Délkou dielektrické části lze nastavit vzdálenost elektrod podle potřeby aplikace. Podle potřeby použití nanosenzoru se tak může zvolit různé vzájemné uspořádání nanomateriálů s různou funkcí. Planámí elektrody jsou vyrobeny například z korundu, pyrexu, křemíku s vrstvou SiO2, připevněné na nosné desce (obr. 1, 2).
Jedním nebo více takovými nanosenzory je možné dosáhnout velmi nízkých limitů detekce na úrovni jednotek ppb, ale také méně než 1 ppb, a dalšího kvalitativního zlepšení parametrů.
Způsob výroby nanosenzorů je velmi jednoduchý s minimálními požadavky na rozlišení litografie, kdy není nutné používat nákladnou nanolitografii.
Literatura:
1. Wang Xd, Carey Wp, Yee Ss, Monolithic Thin-Film Metal-Oxide Gas-Sensor Arrays With Application To Monitoring Of Organic Vapors, Sensors And Actuators B-Chemical, Vol. 28 Issue: 1 Pages: 63-70, Jul 1995
2. Tsai PP, Chen IC, Ho CJ, Ultralow power carbon monoxide microsensor by micromachining techniques, Sensors And Actuators B-Chemical, Vol. 76 Issue: 1-3 Pages: 380-387, 2001
3. Tiffany J, Cavicchi RE, Semancik S., Microarray study of temperature dependent sensitivity and selectivity of metal/oxide sensing interfaces, Advanced Environmental And Chemical Sensing Technology, Vol. 4205 Pages: 240-247, 2001
4. Ivanov P, Llobert E, Vergara A, et al., Towards a micro-system for monitoring ethylene in warehouses, Sensors And Actuators B-Chemical, Vol. 111 Speciál Issue: Sp. Iss. SI Pages: 63-70, 2005
5. Graf M, Gurlo A, Barsan N, et al., Microfabricated gas sensor systems with sensitive nanocrystalline metal-oxide films, Journal Of Nanoparticle Research, Vol. 8 Issue: 6 Pages: 823-839, 2006
6. Tricoli A, Graf M, Mayer F, et al., Micro-patteming layers by fláme spray aerosol deposition, NSTI NANOTECH 2008, VOL 1, Technical Proceedings - Materials, Fabrication, Particles, And Characterization Pages: 546-547, 2008
7. Archanjo BS, Silveira GV, Goncalves AMB, et al., Fabrication of Gas Nanosensors and Microsensors via Local Anodic Oxidation, Langmuir, Vol. 25 Issue: 1 Pages: 602-605, 2009.
-2CZ 305229 B6
8. Lawrence Livermore National Security, Nanodevices For Generating Power From Molecules And Batteryless Sensing (WO2011050307)
Objasnění výkresů
Obr. 1: Detail nanosenzoru
Obr. 2: Odezva nanosenzorů z TiO2 na kyslík o koncentraci 20 ppb
Vynález je dále popsán pomocí příkladu, který však žádným způsobem neomezuje případná další provedení v rozsahu patentových nároků.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1
Vytvořil se nanosenzor 6 (obr. 1) o průměru 50 mm a délce 1 pm, kde nanomateriálem 4, 5 byl TiO2. Horní a spodní planámí elektrody 2 byly realizovány ze zlata a byly připevněné k nosné desce 1_. Hotový nanosenzor 6 se umístil do komůrky s vyhříváním na teplotu až 500 °C. Měření se provádělo při různých teplotách a při průtoku dusíku s různou koncentrací kyslíku. Resistence nanosenzoru 6 byla kolem 107Ω, byla zjištěna logaritmická citlivost S=2,lx 107 Ω/ppb (S=2,3+log c02) při teplotě 300 °C (kde cO2 je koncentrace kyslíku v ppb). Při měření se používalo rozlišení minimálně 100 hodnot na jednom řádu resistence. Dle uvedené logaritmické citlivosti při měření koncentrace kyslíku 1 ppb odpovídá odezva 2,3 x 107 Ω. Odezva nanosenzoru 6 na kyslík o koncentraci 20 ppb při teplotě 300 °C je uvedena na granu obrázku 5. Byla potvrzena dosažitelnost limitu detekce na úrovni 1 ppb.
Průmyslová využitelnost
Provedení odporových nanosenzorů podle vynálezu s limitem detekce 1 ppb a méně má využití v podobě miniaturizovaných inteligentních systémů a nanostrukturovaných elektrod pro chemické, biologické a farmaceutické aplikace s uplatněním například i jako elektronický nos nebo elektronický jazyk. Využití je možné také v podobě tepelně-izolační soustavy dvou desek s možností chlazení plynem nebo kapalinou pro mikrozařízení. Tento druh senzorů je možné uplatnit v chemickém průmyslu, v oblasti bezpečnostních pomůcek, protichemické ochrany i ve vojenském průmyslu. Výroba není náročná ani finančně nákladná.
Claims (3)
1. Konstrukce chemického odporového nanosenzoru (6), vyznačující se tím, že je tvořena alespoň jednou nanotyčinkou (3) obsahující minimálně dva nanomateriály (4) a (5), umístěnou ve vertikální poloze mez dvěma planámími elektrodami (2), kde konstrukce vytváří pasivní odporový převodník a limit detekce nanosenzoru (6) je 1 ppb a méně.
2. Konstrukce chemického nanosenzoru (6) podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanotyěinka (3) nanosenzoru (6) je tvořena dvěma různými nanomateriály (4) a (5), kde nanomateriál (4) je vodivý nebo odporový a nanomateriál (5) je dielektrický.
-3 CZ 305229 B6
3. Konstrukce chemického nanosenzoru (6) podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanotyčinka (3) nanosenzoru (6) je tvořena dvěma a více různými nanomateriály (4) a (5), kde nanomateriál (4) tvoří citlivou část a nanomateriál (5) působí jako katalyzátor nebo zvyšuje citlivost nanomateriálu (4), popřípadě je tvořen dalšími citlivými materiály.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2011-411A CZ305229B6 (cs) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | Konstrukce chemického nanosenzoru |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2011-411A CZ305229B6 (cs) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | Konstrukce chemického nanosenzoru |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2011411A3 CZ2011411A3 (cs) | 2013-01-16 |
| CZ305229B6 true CZ305229B6 (cs) | 2015-06-24 |
Family
ID=47504463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2011-411A CZ305229B6 (cs) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | Konstrukce chemického nanosenzoru |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ305229B6 (cs) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008133656A2 (en) * | 2006-11-17 | 2008-11-06 | The Trustees Of Boston College | Nanoscale sensors |
| WO2010144157A1 (en) * | 2009-02-04 | 2010-12-16 | Trustees Of Boston College | Molecular imprinted nanosensors |
| WO2011050307A2 (en) * | 2009-10-22 | 2011-04-28 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Nanodevices for generating power from molecules and batteryless sensing |
-
2011
- 2011-07-07 CZ CZ2011-411A patent/CZ305229B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008133656A2 (en) * | 2006-11-17 | 2008-11-06 | The Trustees Of Boston College | Nanoscale sensors |
| WO2010144157A1 (en) * | 2009-02-04 | 2010-12-16 | Trustees Of Boston College | Molecular imprinted nanosensors |
| WO2011050307A2 (en) * | 2009-10-22 | 2011-04-28 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Nanodevices for generating power from molecules and batteryless sensing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2011411A3 (cs) | 2013-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| He et al. | Rational interaction between the aimed gas and oxide surfaces enabling high-performance sensor: the case of acidic α-MoO3 nanorods for selective detection of triethylamine | |
| Korotcenkov | Current trends in nanomaterials for metal oxide-based conductometric gas sensors: Advantages and limitations. part 1: 1D and 2D nanostructures | |
| Sharma et al. | A new approach to gas sensing with nanotechnology | |
| Rao et al. | In situ localized growth of ordered metal oxide hollow sphere array on microheater platform for sensitive, ultra-fast gas sensing | |
| Li et al. | Fabrication of porous SnO2 nanowires gas sensors with enhanced sensitivity | |
| Martinez et al. | Porous tin oxide nanostructured microspheres for sensor applications | |
| Kukkola et al. | Gas sensors based on anodic tungsten oxide | |
| Mubeen et al. | Palladium nanoparticles decorated single-walled carbon nanotube hydrogen sensor | |
| Ma et al. | A simple absorbent cotton biotemplate to fabricate SnO2 porous microtubules and their gas-sensing properties for chlorine | |
| Luyo et al. | Gas sensing response of NiO nanoparticle films made by reactive gas deposition | |
| Hwang et al. | Large-scale fabrication of highly sensitive SnO2 nanowire network gas sensors by single step vapor phase growth | |
| Xu et al. | Self-assembly of Cu2O monolayer colloidal particle film allows the fabrication of CuO sensor with superselectivity for hydrogen sulfide | |
| Choi et al. | Fabrication and H2-sensing properties of SnO2 nanosheet gas sensors | |
| Roslyakov et al. | Microhotplate catalytic sensors based on porous anodic alumina: Operando study of methane response hysteresis | |
| Henriquez et al. | Pt nanostructures fabricated by local hydrothermal synthesis for low-power catalytic-combustion hydrogen sensors | |
| Kim et al. | Hybrid gas sensor having TiO2 nanotube arrays and SnO2 nanoparticles | |
| Ruggieri et al. | Preparation of nitrogen doped TiO2 nanofibers by near field electrospinning (NFES) technique for NO2 sensing | |
| Palanisamy et al. | Hybrid nanocomposites and their potential applications in the field of nanosensors/gas and biosensors | |
| Tuantranont | Nanomaterials for sensing applications: introduction and perspective | |
| Zhao et al. | Improved H2-sensing performance of nanocluster-based highly porous tungsten oxide films operating at moderate temperature | |
| Chelu et al. | ZnO/NiO heterostructure-based microsensors used in formaldehyde detection at room temperature: Influence of the sensor operating voltage | |
| Bhowmick et al. | Multilayered and chemiresistive thin and thick film gas sensors for air quality monitoring | |
| Jo et al. | Fast-Response and Low-Power Self-Heating Gas Sensor Using Metal/Metal Oxide/Metal (MMOM) Structured Nanowires | |
| Pandey et al. | Chemical nanosensors for monitoring environmental pollution | |
| Lee et al. | Thermally/mechanically robust anodic aluminum oxide (AAO) microheater platform for low power chemoresistive gas sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20210707 |