RU222772U1 - Полупроводниковый газовый сенсор водорода на основе Pt/Pd/ SnO2 : Sb, Ag, Y - Google Patents
Полупроводниковый газовый сенсор водорода на основе Pt/Pd/ SnO2 : Sb, Ag, Y Download PDFInfo
- Publication number
- RU222772U1 RU222772U1 RU2023116745U RU2023116745U RU222772U1 RU 222772 U1 RU222772 U1 RU 222772U1 RU 2023116745 U RU2023116745 U RU 2023116745U RU 2023116745 U RU2023116745 U RU 2023116745U RU 222772 U1 RU222772 U1 RU 222772U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- sensor
- sno
- sensors
- target
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 32
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 7
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 10
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 239000002360 explosive Substances 0.000 abstract description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 230000004044 response Effects 0.000 description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 8
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001245 Sb alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020923 Sn-O Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N [O].[Ar] Chemical compound [O].[Ar] VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000004838 photoelectron emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 yttrium ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Полезная модель относится к газовым сенсорам, а именно к устройствам, которые позволяют определять низкие до взрывоопасной концентрации водорода 30-2000 ppm в окружающей атмосфере в условиях меняющейся влажности. Полупроводниковый газовый сенсор водорода Pt/Pd/SnO2:Sb, Ag, Y на основе тонкой пленки диоксида олова с примесью 0,49 ат.% сурьмы. Техническим результатом является повышение чувствительности к низким концентрациям водорода и снижение дрейфа характеристик сенсоров в процессе длительной эксплуатации в условиях меняющейся влажности. Технический результат достигается тем, что объем чувствительного к водороду слоя сенсора модифицирован добавками серебра и иттрия, для чего в процессе магнетронного напыления на поверхности мозаичной мишени размещают плоские кусочки Ag и Y с приблизительном соотношением площадей металлов и распыляемой части мишени SAg/SSn=SY/SSn=3⋅10-3. 4 ил.
Description
Полезная модель относится к газовым сенсорам, а именно к устройствам, которые позволяют определять низкие до взрывоопасной концентрации водорода 30-2000 ppm в окружающей атмосфере в условиях меняющейся влажности. Основными требованиями, предъявляемыми к современным газоанализаторам, являются высокая чувствительность и стабильность при длительной эксплуатации, которые труднодостижимы в обычно применяемых полупроводниковых сенсорах, а также в ряде других устройств, полученных с использованием толстопленочной технологии.
Из существующего уровня техники известен полупроводниковый датчик газа, работающий при комнатной температуре (патент US 7791150 В1, опубл. 07.09.2010). В этом устройстве в качестве чувствительного слоя используется наноструктурированная пленка In2O3, легированная SnO2. Датчик работает при комнатной температуре и при освещении ультрафиолетовым (УФ) светом. УФ-свет используется для регенерации датчика и удаления «загрязнений» с поверхности чувствительного слоя для обеспечения чувствительности к водороду. Во время процесса детектирования водорода УФ-освещение выключается. Недостатками данного технического решения является использование УФ-светодиода, имеющего высокую стоимость, низкий КПД и высокое энергопотребление. Учитывая важные для практики требования к газовым датчикам - дешевизна, автономность и мобильность, использование светодиода УФ-диапазона нежелательно. Кроме того, предполагается, что во время мониторинга УФ-освещение выключено и включается только для регенерации, что обуславливает сложность настройки устройства.
Известно также устройство для детектирования водорода, изготовленное на основе палладия, также работающее при повышенной температуре (патент RU 2221241, опубл. 10.01.2004). Недостатком такого устройства является необходимость отжига и создания оксидной пленки на чувствительном слое после каждого срабатывания. Кроме того, такое устройство имеет крайне ограниченный ресурс (10-15 срабатываний).
Другая полезная модель (патент 181283 U1 опубл. 09.07.2018) представляет собой устройство, включающее в себя чувствительный слой на диэлектрической подложке с нанесенными металлическими контактами для измерения проводимости чувствительного слоя и источник освещения с длиной волны излучения 515-530 нм. Чувствительный слой выполнен из наноструктурированного оксида металла (индия, цинка, олова и др.), или смесей оксидов металлов, методами, позволяющими создать толстопленочные наноразмерные структуры с большой площадью удельной поверхности (порядка 100 м2/г).
В качестве источника освещения может использоваться светодиод, сфокусированное излучение которого падает на чувствительный слой. Недостатком данного устройства является невозможность детектирования уровня водорода в темное время суток, так как в атмосфере водорода темновая проводимость оксидов металлов практически не изменяется. При освещении оксиды металлов переходят в неравновесное состояние, и их фотопроводимость определяется процессами генерации и рекомбинации электронов и дырок.
В последнее время появились приборы на основе тонких пленок диоксида олова, полученных методом магнетронного распыления (Vasiliev А.А., Malyshev V.V., Sensors for the ultra-fast monitoring of explosive gas concentrations // Sensors and Actuators B. - 2013. -V. 189. - P. 260-267). Такие сенсоры малозатратны при массовом производстве, т.к. есть возможность в одном технологическом цикле изготовить до 500 штук сенсоров. Сенсоры отличаются низкими значениями энергопотребления, компактностью и коротким временем срабатывания (до 160 мс). Недостатком является то, что с течением времени у таких газовых сенсоров наблюдается деградация чувствительной поверхности, связанная с процессом нарушения кристаллической структуры диоксида олова, что приводит к изменению параметров и сокращению срока службы прибора.
Прототипом изобретения может служить газовый сенсор на основе двуокиси олова, который раскрыт в работе: Е.Ю. Севастьянов, Н.К. Максимова, В.А. Новиков, Ф.В. Рудов, Н.В. Сергейченко, Е.В. Черников. Влияние добавок Pt, Pd, Au на поверхности и в объеме тонких пленок диоксида олова на электрические и газочувствительные свойства // Физика и техника полупроводников. 2012. т.46. №6, с. 820-828.
Общими с прототипом признаки состоят в следующем.
Пленки диоксида олова толщиной 100 нм с содержанием примеси сурьмы 0,49 ат.% получают магнетронным напылением на постоянном токе в кислородно-аргонной плазме из мишени, представляющей собой сплав олова с сурьмой. В качестве подложки используют пластины сапфира толщиной около 150 мкм. Контакты к слоям диоксида олова и меандровый нагреватель на обратной стороне подложки формируют до нанесения пленок SnO2 напылением платины с последующей фотолитографической гравировкой. Сверхтонкие слои катализатора Pt/Pd также получают магнетронным напылением. Образцы подвергают стабилизирующему отжигу на воздухе при 450°С в течение 24 ч.
К недостаткам упомянутого прибора можно отнести недостаточно высокую чувствительность к низким концентрациям 30-200 ppm водорода и нестабильность характеристик сенсоров при длительной работе: в процессе испытаний происходит рост сопротивления пленок (снижение Go) и рост значений отклика на водород Н2. Эти эффекты обусловлены тем, что атомарный водород, выделяющийся при диссоциативной адсорбции Н2, способен взаимодействовать с решеточным кислородом и частично восстанавливать выходящие на поверхность молекулы диоксида олова. Происходит рост плотности атомов сверхстехиометрического олова, являющихся центрами адсорбции кислорода. Для стабилизации характеристик сенсоров требуется тренировка в течение 60 и более суток. Кроме того, одной из главных причин нестабильности параметров газовых сенсоров на основе металлооксидных полупроводников является влияние уровня влажности окружающей среды. Поскольку гидроксильные группы занимают часть центров адсорбции на поверхности полупроводника, уменьшается плотность хемосорбированного кислорода, и при повышении уровня влажности значения отклика на восстановительные газы, как правило, снижаются.
В некоторых работах [L. Cheng et al. Sens. Actuators В. 2014, 200, 181-190; 10. S. Vahdatifar, A. A. Khodadadi, Y. Mortazavi. Sens. Actuators B. 2014, 191, 421-430] было получено снижение дрейфа характеристик сенсоров водородсодержащих газов на основе толстых пленок Sn02 при введении добавок редкоземельных элементов, таких как Y и Sc. Полученные нами предварительные данные показали, что приборы на основе Pt/Pd/SnCl2:Sb, Y и Pt/Pd/SnO2:Sb, Sc характеризуются высокой повторяемостью результатов, но низкой чувствительностью к воздействию Н2.
Целью заявленной полезной модели является повышение чувствительности к низким концентрациям водорода, а также снижение дрейфа характеристик сенсоров в процессе длительной эксплуатации и в условиях меняющейся влажности.
В предлагаемой модели это достигается тем, что использовано совместное введение примесей серебра и иттрия в объем тонкой поликристаллической пленки диоксида олова, легированного сурьмой, что является принципиально новым относительно прототипа. С этой целью в процессе магнетронного распыления на постоянном токе мозаичной мишени из сплава Sn+Sb процесс осуществляют с нанесением на поверхность плоских кусочков металлов Ag и Y при определенном соотношении площадей металлов и распыляемой части мишени
Принцип действия заявленного газового сенсора заключается в обратимой адсорбции водорода в присутствии на поверхности нанокристаллического SnO2 металлических модификаторов Pt/Pd. Сенсор работает в диапазоне температур 400-450°С. В чистом воздухе при хемосорбции молекул кислорода на поверхности появляется кислород в атомарной форме О- и отрицательный заряд, увеличение которого ведет к снижению проводимости, поскольку происходит возрастание энергетического барьера на границах раздела нанокристаллов SnO2, препятствующего транспорту носителей заряда.
При диссоциативной адсорбции водорода на поверхности SnO2 появляется атомарный водород. При активном взаимодействии атомарного водорода с предварительно хемосорбированными частицами О- на поверхности SnO2 величина барьера падает, и проводимость сенсора возрастает. Отклик G1/G0 определяется отношением проводимости сенсора в присутствии водорода G1 к значению проводимости в чистом воздухе G0. В тонкой пленке диоксида олова в присутствии введенной примеси иттрия в процессе технологического отжига происходит сегрегация ионов Y на поверхности микрокристаллов SnO2. Согласно справочным данным [Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. - М: Наука. - 1974. - 351 с.] энергия разрыва связи Y-O ΔH°298=171 ккал/моль больше, чем Sn-O ΔH°298=127 ккал/моль. Поэтому иттрий образует прочные связи с решеточным кислородом, способствуя частичному снижению вероятности восстановления диоксида олова и повышению стабильности отклика в области концентраций водорода <300 ppm. Однако действия иттрия недостаточно, чтобы обеспечить стабильность параметров сенсоров в области более высоких концентраций водорода. Введенная совместно с иттрием примесь Ag в объеме образует наночастицы, которые способствуют, согласно данным рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии (РФЭС) [S.Matsushima, Y.Teraoka, N.Miura et all. // Jpn. J. Appl. Phys. - 1988. - V.27. - P. 1798-1802.] уменьшению на 0.5-0.7 эВ энергии связи основных электронных уровней Sn3d и Ols, что облегчает взаимодействие ионов иттрия с решеточным кислородом. В результате водород взаимодействует только с хемосорбированным кислородом, восстановления БпОг до олова не происходит, параметры сенсоров Pt/Pd/SnO2: Sb, Y, Ag стабилизируются. Поскольку атомы Y и Ag присутствуют и на поверхности пленок, они создают дополнительные центры адсорбции кислорода и водорода и способствуют повышению отклика, а также задают более низкую степень диссоциации молекул воды на поверхности сенсоров, за счет этого характеристики заявленных сенсоров слабее зависят от влажности.
Краткое описание иллюстраций.
Фиг. 1. Схематическое изображение чувствительного элемента на основе SnO2 с добавками примесей Ag и Y со стороны полупроводникового слоя SnO2 (а) и нагревателя (б);
Цифрами обозначены: 1- чувствительный элемент; 2 - платиновые электроды; 3 -нагреватель; 4 - сапфировая подложка.
Фиг. 2. Блок-схема измерительной установки.
Цифрами обозначены: 5 - измерительная камера; 6 - исследуемые сенсоры; 7 - датчик влажности; 8 - клапан подачи воздуха; 9 - шприц-дозатор водорода; 10 - вентилятор; 11 - смеситель; 12 - сорбционный фильтр; 13 - барботер; 14 - клапан подачи сухого воздуха; 15 - клапан подачи влажного воздуха; 16 -клапан выхода газовой смеси; 17 - блок автоматизации измерений; 18 - побудитель расхода газовой смеси 19 - источник электропитания;
Фиг. 3. Влияние длительности испытаний на значения откликов Н2 сенсоров с различными добавками при 1000 ppm Н2
Фиг. 4. Зависимость значений отклика сенсора Pt/Pd/SnO2: Sb, Ag, Y от уровня влажности при воздействии водорода 100 ppm (кривая 1) и 1000 ppm (кривая 2).
На фиг. 1 представлена схема чувствительного элемента на основе SnO2 с добавками примесей Ag и Y, где 1- чувствительный элемент площадью 0.3×0.3 мм; 2 - платиновые электроды; 3 - нагреватель; 4 - сапфировая подложка размером 0.7×0.7 мм
При напылении пленки в магнетроне А500 (Edwards) на постоянном токе использовали мишень Sn с содержанием сурьмы 0.49 ат.%. Контакты к слоям SnO2 и нагреватель на обратной стороне подложки формировали напылением платины при помощи установки ВУП - 4, с последующей фотолитографической гравировкой до нанесения пленок диоксида олова. Для введения в объем пленок примесей серебра и иттрия, кусочки этих металлов помещали на поверхность мишени. Содержание добавок в объеме пленок контролировали по отношению площадей кусочков соответствующих добавок Sm (m: Ag, Y) и распыляемой части мишени Ssn- Оптимальные значения Sm/Ssn составили: SAg/Ssn=Sy/Ssn=3⋅10-3. Время напыления из мишени не более 30 мин. Готовые образцы подвергали отжигу в воздухе при температуре 450°С в течение 24 ч. На одной подложке получали до 500 сенсоров. Пластины разрезали скрайбером на отдельные элементы, затем к контактным площадкам датчиков методом термокомпрессии приваривали электровыводы из золотой проволоки диаметром 50 мкм. Образцы собирали в металлические корпуса ТО-8.
На фиг. 2 представлена блок-схема измерительной установки. Измерительная кварцевая камера (5) объемом 1 л содержит держатель, на который помещаются 4 исследуемых образца (6) и датчик уровня влажности (7). Через измерительную камеру прокачивали смесь воздуха, подаваемого через клапан (8), и газа, дозированно вводимого с помощью шприца-дозатора (9), обеспечивая требуемую концентрацию водорода. Камера снабжена вентилятором (10) для быстрого перемешивания газовоздушных смесей. Для управления уровнем влажности смеси использовали два потока воздуха с контролируемыми расходами, смешивая в смесителе (11) лабораторный воздух, осушенный сорбционным фильтром (12), с воздухом, увлажненным барботером (13). Влажность регулировали при помощи вентилей (14, 15) Перед сменой условий опытов перекрывали клапан (15) и через клапаны (14, 8, 16) продували измерительную камеру (5) сухим чистым воздухом. Измерительная установка оборудована побудителем расхода газовой смеси (17) и блоком автоматизации измерений (18), питающихся от блока электропитания (19);
Для измерений характеристик сенсоров в атмосфере чистого воздуха и при наличии водорода при разных уровнях влажности газовой смеси и в различных режимах работы сенсоров использовали автоматизированный измерительный стенд, обладающий рядом преимуществ, к которым относятся: погрешность в измерении проводимости образцов - 1%; задание рабочей температуры сенсора с точностью до 0,5°С; определение относительной влажности с погрешностью не более 3,5%. Напряжение нагревателя и проводимость сенсора отображаются на дисплее компьютера и записываются с помощью специальных компьютерных программ.
Измерения показали, что заявленные сенсоры характеризуются высокими значениями отклика G1/G0=30-35 на низкие 100 ppm и G1/G0 - 580-590 на высокие 1000 ppm концентрации водорода, причем эти значения остаются стабильными после испытаний в течение 70-90 суток. Для высококачественных сапфировых подложек стабильность параметров сохраняется до 2000-3000 ppm Н2.
На фиг. 3 показаны зависимости адсорбционного отклика G\IGq на 1000 ppm Н2 от длительности испытаний при воздействии водорода для сенсоров различного состава: Pt/Pd/SnO2: Sb (кривая 1), Pt/Pd/SnO2: Sb, Ag (кривая 2), Pt/Pd/SnO2: Sb, Ag, Y (кривая 3), Pt/Pd/SnO2: Sb, Y (кривая 4).
При длительных испытаниях наиболее существенно увеличиваются отклики сенсоров с добавкой серебра Pt/Pd/SnO2: Sb, Ag. Эта особенность обусловлена уменьшением на 0.5-0.7 эВ энергии связи Sn3d и O1s в пленках SnO2: Ag по сравнению с чистым SnO2, что облегчает взаимодействие атомарного водорода с решеточным кислородом, приводит к резкому росту плотности нестехиометрического олова на поверхности нанокристаллов SnO2 и нестабильности параметров сенсоров во всем диапазоне концентраций 30-2000 ppm Н2. Очевидно, что только совместное введение примесей серебра и иттрия при выбранных соотношениях площадей кусочков металлов на поверхности мозаичной мишени и распыляемой части мишени обеспечивает высокие значения отклика при низких концентрациях водорода и стабильность отклика сенсоров Pt/Pd/SnO2: Sb, Ag, Y (фиг. 3, кривая 3) при достаточно высоких концентрациях Н2 в процессе длительных испытаний.
Фиг. 4 показывает зависимость значений отклика сенсора Pt/Pd/SnO2: Sb, Ag, Y от уровня влажности при воздействии водорода 100 ppm (кривая 1) и 1000 ppm (кривая 2). Важно, что при увеличении уровня относительной влажности RH от 10 до 70% снижение отклика сенсора незначительно.
Источники информации:
1. Патент US 7791150 В1 опубл. 07.09.2010.
2. Патент RU 2221241 опубл. 10.01.2004.
3. Патент 181283 U1 опубл. 09.07.2018.
4. Vasiliev А.А., Malyshev V.V., Sensors for the ultra-fast monitoring of explosive gas concentrations // Sensors and Actuators B. - 2013. - V.189. - P. 260-267.
5. Е.Ю. Севастьянов, H.K. Максимова, В.А. Новиков, Ф.В. Рудов, Н.В. Сергейченко, Е.В. Черников. Влияние добавок Pt, Pd, Au на поверхности и в объеме тонких пленок диоксида олова на электрические и газочувствительные свойства // Физика и техника полупроводников. 2012. т. 46. №6, с. 820-828.
Claims (1)
- Полупроводниковый газовый сенсор водорода на основе тонкой пленки диоксида олова с примесью 0,49 ат.% сурьмы, нанесенной магнетронным напылением на постоянном токе на сапфировую подложку, нагреваемую с обратной стороны меандровым нагревателем, с нанесенным на поверхность пленки SnO2 дисперсным катализатором Pt/Pd, отличающийся тем, что объем чувствительного к водороду слоя сенсора модифицирован добавками серебра и иттрия, для чего в процессе магнетронного напыления на поверхности мозаичной мишени размещают плоские кусочки Ag и Y с приблизительным соотношением площадей металлов и распыляемой части мишени SAg/SSn=SY/SSn=3⋅10-3.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU222772U1 true RU222772U1 (ru) | 2024-01-17 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101101278A (zh) * | 2007-07-19 | 2008-01-09 | 南京工业大学 | 声表面波微氢气传感器及其制作工艺 |
| US8025843B2 (en) * | 2004-04-28 | 2011-09-27 | Alps Electric Co., Ltd. | Hydrogen sensor |
| RU181283U1 (ru) * | 2017-11-09 | 2018-07-09 | Александр Сергеевич Ильин | Полупроводниковый датчик водорода, работающий при комнатной температуре |
| CN111855756A (zh) * | 2019-04-28 | 2020-10-30 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于Pd-Ag合金纳米晶的氢气传感器及其制备方法 |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8025843B2 (en) * | 2004-04-28 | 2011-09-27 | Alps Electric Co., Ltd. | Hydrogen sensor |
| CN101101278A (zh) * | 2007-07-19 | 2008-01-09 | 南京工业大学 | 声表面波微氢气传感器及其制作工艺 |
| RU181283U1 (ru) * | 2017-11-09 | 2018-07-09 | Александр Сергеевич Ильин | Полупроводниковый датчик водорода, работающий при комнатной температуре |
| CN111855756A (zh) * | 2019-04-28 | 2020-10-30 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于Pd-Ag合金纳米晶的氢气传感器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Е.Ю. Севастьянов, Влияние добавок Pt, Pd, Au на поверхности и в объеме тонких пленок диоксида олова на электрические и газочувствительные свойства // Физика и техника полупроводников. 2012. т.46. N6, с. 820-828. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Quaranta et al. | A novel gas sensor based on SnO2/Os thin film for the detection of methane at low temperature | |
| Zhang et al. | Highly sensitive hydrogen sensors based on co-sputtered platinum-activated tungsten oxide films | |
| Fardindoost et al. | Pd doped WO3 films prepared by sol–gel process for hydrogen sensing | |
| Park et al. | Ceramics for chemical sensing | |
| Yin et al. | Fabrication and gas sensing properties of Au-loaded SnO2 composite nanoparticles for low concentration hydrogen | |
| JP2702279B2 (ja) | ガス検知素子 | |
| Wongrat et al. | Control of depletion layer width via amount of AuNPs for sensor response enhancement in ZnO nanostructure sensor | |
| Almaev et al. | Oxygen sensors based on gallium oxide thin films with addition of chromium | |
| US4324760A (en) | Hydrogen detector | |
| Bhattacharyya et al. | Noble metal catalytic contacts to sol–gel nanocrystalline zinc oxide thin films for sensing methane | |
| Bhattacharyya et al. | The effect of surface modification and catalytic metal contact on methane sensing performance of nano-ZnO–Si heterojunction sensor | |
| Korotcenkov et al. | The role of Rh dispersion in gas sensing effects observed in SnO2 thin films | |
| US20130202489A1 (en) | Gas sensor with a highly porous structure constructed of catalyst-capped metal-oxide nanoclusters | |
| Cantalini et al. | Investigation on the cross sensitivity of NO2 sensors based on In2O3 thin films prepared by sol-gel and vacuum thermal evaporation | |
| Wagner et al. | Influence of humidity and different gases on a resistive room temperature NO2 gas dosimeter based on Al-doped ZnO for ppb-concentration detection | |
| RU222772U1 (ru) | Полупроводниковый газовый сенсор водорода на основе Pt/Pd/ SnO2 : Sb, Ag, Y | |
| Zhu et al. | Influence of magnetron sputtering process on the stability of WO3 thin film gas sensor | |
| Aroutiounian et al. | Study of hydrogen peroxide vapors sensor made of nanostructured co-doped SnO2 film | |
| Deokate et al. | Sprayed CdIn2O4 thin films for liquefied petroleum gas (LPG) detection | |
| TWI706571B (zh) | 氣體感測器之結構 | |
| Lantto | Semiconductor gas sensors based on SnO2 thick films | |
| Ghorbani et al. | UV-activated chemiresistive gas sensor response curve analysis for the fast measurement of toxic gases | |
| KR20110120039A (ko) | 수소 센서 및 그 제조방법 | |
| RU201708U1 (ru) | Газовый сенсор паров авиационного керосина | |
| Prajapati et al. | Highly Sensitive CO Sensor Based on Thickness‐Selective ZnO Thin Film: Device Fabrication and Packaging |