MD4495C1

MD4495C1 - Senzor de etanol pe bază de oxid de cupru

Info

Publication number: MD4495C1
Application number: MDA20160101A
Authority: MD
Inventors: Николай АБАБИЙ; Василе ПОСТИКА; Виорел ТРОФИМ; Олег ЛУПАН
Original assignee: Николай АБАБИЙ
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-01-31
Also published as: MD4495B1

Abstract

Invenţia se referă la tehnica electrică de măsurat, în particular la senzori de etanol pe baza nanofirelor de oxid de cupru, obţinute direct pe suprafaţa unui microfir de cupru.Senzorul de etanol pe bază de oxid de cupru include un substrat dielectric, pe suprafaţa căruia, la margini opuse, sunt depuse două contacte din aur, între care este amplasat un microfir de cupru cu diametrul de 30 µm, formând suprafeţe de contact acoperite cu nanofire din oxid de cupru, obţinute prin acoperirea contactelor cu pulbere de cupru şi tratarea termică în aer la temperatura de 425°C timp de 2 ore.

Description

Invenţia se referă la tehnica electrică de măsurat, în particular la senzori de etanol pe baza nanofirelor de oxid de cupru, obţinute direct pe suprafaţa unui microfir de cupru.

Este cunoscut un senzor pe baza unui nanofir de CuO cu lungimea de 20…30 µm şi diametrul de 50…100 nm, sintetizat prin oxidarea termică în aer a unei folii de cupru la temperatura de 500°C timp de 10 ore. Acest senzor are sensibilitate la etanol (Rgas/Rair≈1,6) la concentraţia acestuia în aer de 500 ppm şi temperatura de operare de 200 °C [1].

Dezavantajul acestui senzor constă în sensibilitatea scăzută la concentraţii destul de înalte ale etanolului în aer şi timp mare de obţinere a nanofirelor.

Este cunoscut un senzor de etanol confecţionat pe un singur nanofir de CuO, sintetizat prin oxidarea termică a unei folii de cupru la temperatura de 600 °C în aer timp de 6 ore. Acest senzor are sensibilitatea (Rgas/Rair≈1,5) la concentraţia etanolului în aer de 1000 ppm. Timpii de răspuns şi de recuperare depind de temperatura de operare şi sunt de ordinul 30…235 s şi 60…245 s respectiv [2].

Dezavantajul acestui senzor este sensibilitatea mică şi timpi mari de răspuns/recuperare la temperatura de operare de 240°C.

Cea mai apropiată soluţie este un senzor confecţionat pe baza nanofirelor de CuO, sintetizate prin oxidarea termică a unei folii de cupru la temperatura de 400°C timp de 2 ore în atmosferă de aer cu umiditatea de 60…90%. Nanofirele sunt dispersate în soluţie de alcool cu ajutorul ultrasunetului şi amplasate între două contacte din Pt, după care substratul se încălzeşte la temperatura de ~200°C timp de 2 ore cu scopul evaporării soluţiei de alcool. Sensibilitatea acestui senzor este de Rgas/Rair≈1,9 la vapori de etanol cu concentraţia de 200 ppm [3].

Dezavantajul acestui senzor este sensibilitatea mică, temperaturi de operare înalte de ~400°C şi timpi mari de răspuns/recuperare.

De asemenea dezavantajul comun al senzorilor menţionaţi mai sus este reproductibilitatea mică a parametrilor senzorilor, din cauza că nanofirele de CuO cresc cu diferite diametre.

Problema pe care o rezolvă invenţia propusă constă în elaborarea unui senzor de etanol pe baza nanofirelor (nanostructurilor) de CuO cu o sensibilitate înaltă, timp mic de răspuns/recuperare şi o reproductibilitate înaltă a parametrilor.

Senzorul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include un substrat dielectric, pe suprafaţa căruia, la margini opuse, sunt depuse două contacte din aur, între care este amplasat un microfir de cupru cu diametrul de 30 µm, formând suprafeţe de contact acoperite cu nanofire din oxid de cupru, obţinute prin acoperirea contactelor cu pulbere de cupru şi tratarea termică în aer la temperatura de 425°C timp de 2 ore.

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

- fig.1, procesul de confecţionare a senzorului de etanol pe baza nanofirelor din oxid de cupru;

- fig.2, imaginea SEM a nanofirelor de CuO pe suprafaţa firului de cupru după oxidarea termică;

- fig.3, sensibilitatea senzorului la etanol şi alte gaze, la diferite temperaturi de operare;

- fig.4, răspunsul dinamic a doi senzori confecţionaţi în aceleaşi condiţii, la etanol cu concentraţia de 100 ppm.

Exemplu de realizare a invenţiei

Pe suprafaţa unui suport (fig. 1) din sticlă 1 se depun contactele din aur 2 printr-o mască prin vaporizarea termică în vid cu ajutorul instalaţiei ВУП - 5. Între contactele de aur se amplasează un fir de cupru 3 cu diametrul de 30 µm. Pe contacte se presoară praf de cupru 4 cu diametrul de 1…5 µm. Următorul pas reprezintă oxidarea termică a firului şi a prafului de cupru la temperatura de 425 °C timp de 2 ore. Ca rezultat pe suprafaţa firului de cupru se formează nanostructuri de CuO. Acelaşi CuO se formează şi pe suprafaţa prafului de cupru. În aşa mod contactele din aur sunt conectate la nanostructurile din CuO.

În fig. 2 este prezentată imaginea SEM a nanostructurilor de CuO, care acoperă suprafaţa firului de Cu.

În fig. 3 se prezintă sensibilitatea senzorului Rgas/Rair la diferite gaze (etanol, acetonă, amoniac şi hidrogen) pentru un senzor de CuO la diferite temperaturi de operare. Cum se observă din fig. 3, senzorul are sensibilitatea mai mare la vapori de etanol cu concentraţia de 100 ppm faţă de alte gaze cu aceeaşi concentraţie. La temperatura de operare de 250 °C sensibilitatea la vapori de etanol Rgas/Rair≈152. Această sensibilitate practic este de 100 ori mai mare decât la senzorii pe baza nanofirelor de CuO, cunoscuţi până acum.

În fig. 4 este prezentat răspunsul dinamic la vapori de etanol cu concentraţia de 100 ppm a doi senzori confecţionaţi în condiţii identice. Timpul de răspuns/recuperare determinat din acest grafic este (τr- 1 s şi τd- 2 s).

Aceşti timpi sunt mult mai mici decât cei cunoscuţi până astăzi.

Din fig. 4 se observă că parametrii senzorilor confecţionaţi în condiţii identice se deosebesc cu 2..3%. Aşa reproductibilitate a parametrilor nu se poate obţine la senzorii din CuO confecţionaţi pe baza unui nanofir, deoarece diametrele nanofirelor nu pot fi prognozate.

1. L. Liao, Z. Zhang, B. Yan, Z. Zheng, Q. L. Bao, T. Wu et. al. Multifunctional CuO nanowire devices: p-type field effect transistors and CO gas sensors, Nanotechnology. 2009 Feb 25;20(8):085203

2. Phathaitep Raksa et al. Ethanol sensing properties of CuO nanowires prepared by an oxidation reaction, Ceramics International Volume 35, Issue 2, March 2009, Pages 649-652

3. Le Duy Duc et al. Single crystal cupric oxide nanowires: Length- and density-controlledgrowth and gas-sensing characteristics, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Volume 58, April 2014, Pages 16-23

Claims

Senzor de etanol pe bază de oxid de cupru, care include un substrat dielectric, pe suprafaţa căruia, la margini opuse, sunt depuse două contacte din aur, între care este amplasat un microfir de cupru cu diametrul de 30 µm, formând suprafeţe de contact acoperite cu nanofire din oxid de cupru, obţinute prin acoperirea contactelor cu pulbere de cupru şi tratarea termică în aer la temperatura de 425°C timp de 2 ore.