RU2674557C1 - Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ - Google Patents
Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674557C1 RU2674557C1 RU2017139071A RU2017139071A RU2674557C1 RU 2674557 C1 RU2674557 C1 RU 2674557C1 RU 2017139071 A RU2017139071 A RU 2017139071A RU 2017139071 A RU2017139071 A RU 2017139071A RU 2674557 C1 RU2674557 C1 RU 2674557C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- layer
- sensor
- contact
- contact pads
- Prior art date
Links
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 67
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 66
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Использование: для контроля концентрации газовых составляющих в атмосфере при различных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый сенсор включает диэлектрическую подложку, выполненную из карбида кремния, которая покрыта слоем графена, слой графена получен сублимацией карбида кремния, контактные площадки контактируют со слоем графена по торцам, для размещения контактных площадок предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности сенсора, упрощения его конструкции, а также увеличения срока службы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к приборам для исследования и анализа материалов с помощью электрических средств, в частности к приборам для исследования и анализа газов путем измерения активного сопротивления слоя графена.
Известен графеновый сенсор для измерения в окружающей атмосфере, в основном, концентрации двуокиси углерода. (Заявка US 2015377824 «Graphene gas sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in gas environments)), filled: June 26, 2015, published: December 31, 2015). Известный газовый сенсор содержит подложку, выполненную, в частности из кремния, на которой расположен изолирующий слой, электродный слой, контактирующий со слоем графена, и слой галогенида, покрывающий, по крайней мере, часть поверхности графена, обращенной в направлении окружающей среды.
Известный сенсор предназначен, в основном, для измерения концентрации двуокиси углерода, при этом слой галогенида, покрывающий часть поверхности графена, непроницаем для таких газов как NO2, Н2О и H2S, т.е. область применения известного сенсора очень ограничена.
Что касается конструкции сенсора, то структура сенсора многослойная, система контактов сформирована на изолирующем слое, слой графена сформирован поверх системы электрических контактов, т.е. имеет переменную толщину, что отрицательно влияет на точность и объективность результатов измерений. Взаимное расположение контактов, изолирующего слоя и слоя графена, материалы из которых они изготовлены, и технология изготовления такой структуры не позволяют обеспечить высокую механическую прочность прибора в целом, в особенности при условии неизбежных циклических и термических нагрузок.
Известен также графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ, содержащий диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена (Патент US 9678036 «Graphene-based gas and bio sensor with high sensitivity and selectivity», filled: March 13, 2014, date of patent June 13, 2017). В известном устройстве подложка выполнена из легированного кремния и покрыта диэлектрическим слоем, выполненным предпочтительно из окиси кремния, на поверхности которого сформирован слой графена. На поверхности слоя графена сформированы входящая и отводящая контактные площадки, соединенные с предусилителем, который обеспечивает усиление колебаний тока. В качестве параметра измерения в известном устройстве используется изменение амплитуды и профиля спектра электрических шумов.
Как указано в патенте US 9678036 различные газы по-разному влияют на низкочастотные спектры шумов графенового сенсора, кроме того, некоторые газы влияют на изменение спектров шумов, а некоторые на изменение сопротивления слоя графена. Учитывая, что, как правило, в окружающей атмосфере присутствуют смеси газов и усилительная схема устройства достаточно сложная, имеют место погрешности измерений, обусловленные погрешностями измерений компонентов схемы и влиянием на результаты измерений газового состава. Таким образом, чувствительность устройства в целом ограничена, а для получения объективных результатов требуются дополнительные калибровки и настройки.
Следует также отметить, что срок службы известного сенсора ограничен прочностью соединения элементов сенсора (диэлектрической подложки, выполненной из SiO2 со слоем графена и слоя графена с контактными площадками, полученными электронно-лучевым напылением непосредственно на поверхность слоя графена) при воздействии механических и термических колебаний.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности сенсора, упрощение его конструкции, а также увеличение срока службы за счет повышения стойкости к внешним воздействиям.
Технический результат достигается за счет того, что в графеновом сенсоре для регистрации газообразных веществ, содержащем диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена, диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, поверхность подложки покрыта слоем графена, полученного сублимацией карбида кремния, вдоль торцов подложки предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки для размещения контактных площадок ступенчатой формы, контактирующих с торцами слоя графена и частью поверхности слоя графена, прилегающей к контактным площадкам.
Наиболее предпочтительна толщина слоя графена составляющая один моноатомный слой.
Контактные площадки целесообразно изготовить в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au и Ni.
Предпочтительно, чтобы слой, контактных площадок контактирующий с диэлектрической подложкой был выполнен из Ti, а слой ступенчатой формы, контактирующий со слоем графена был выполнен из Au и покрыт слоем Ni.
В графеновом сенсоре, выполненном в соответствии с изобретением, диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, который фактически является диэлектриком с высоким сопротивлением, т.е. промежуточные диэлектрические слои не требуются. Основа сенсора - слой графена на карбиде кремния. Достоинством такой структуры является сильная связь между подложкой и слоем графена, которая возникает из-за образования буферного слоя в процессе получения слоя графена сублимацией карбида кремния. Благодаря сильной связи слоя графена с подложкой из карбида кремния, сенсор, выполненный в соответствии с изобретением способен выдерживать различные механические, термические и химические воздействия, за счет чего и достигается повышение его срока службы.
Отличительной особенностью сенсора предлагаемой конструкции является также форма выполнения и размещение контактных площадок. Контактные площадки ступенчатой формы обеспечивают контакт со слоем графена по торцам и незначительной частью поверхности слоя графена, прилегающего к торцам. В известных устройствах контактные площадки расположены либо сверху, либо снизу и контактируют со слоем графена в вертикальном направлении, образуя энергетический барьер и ограничивая чувствительность сенсора. Графен характеризуется наилучшей проводимостью вдоль плоскости слоя, поэтому расположение контактных площадок по торцам слоя обеспечивает высокую подвижность носителей, омическое сопротивление контактных площадок в этом случае снижается и, как следствие, обеспечивается повышение чувствительности сенсора в целом.
Выполнение контактных площадок ступенчатой формы и обеспечение их контакта не только по торцам, но и с частью поверхности, прилегающей к контактным площадкам обеспечивает одновременно повышение надежности электрического контакта за счет плотности прилегания контактных площадок к слою графена, а также прочность и стойкость к механическим воздействиям конструкции в целом.
Контактные площадки размещены в канавках, полученных ионно-лучевым травлением для обеспечения хорошей адгезии материалов, из которых изготовлены контактные площадки, как к слою графена, так и к карбиду кремния, что является необходимым условием обеспечения как высокой чувствительности сенсора, так и его механической прочности.
При толщине слоя графена в один моноатомный слой, в нем обеспечивается наилучшая подвижность носителей.
Экспериментально установлено, что Ti обладает хорошей адгезией к карбиду кремния, a Au, в свою очередь одновременно хорошей адгезией к титану, высокой проводимостью и одновременно низкой химической активностью, что обеспечивает надежность конструкции как в условиях термических, так и механических нагрузок. Поверхностный слой Ni необходим для обеспечения возможности создания надежных паяных соединений контактных площадок сенсора с элементами схем измерений.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ,
фиг. 2 - график отклика графенового сенсора при комнатной температуре на крайне низкие концентрации диоксида азота,
фиг. 3 - график отклика графенового сенсора при комнатной температуре на воздействие газовой смеси, содержащей NO2 в низких концентрациях при осуществлении прогрева сенсора между измерениями до температуры 110°С. Графеновый сенсор, представленный на фиг. 1 содержит выполненную из карбида кремния подложку 1, поверхность которой покрыта слоем графена 2, полученного сублимацией карбида кремния. Вдоль торцов подложки предусмотрены канавки 3 для размещения контактных площадок 4. Контактные площадки ступенчатой формы выполнены в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au, и Ni. Контактные площадки контактируют с торцами слоя графена 5 и частью слоя графена 6, прилегающей к контактным площадкам.
На фиг. 2 представлен график отклика графенового сенсора, выполненного в соответствии с изобретением, при комнатной температуре на крайне низкие концентрации диоксида азота. Оксид азота (NO2) является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок, что приводит к увеличению удельного сопротивления графена n-типа проводимости. Уже при концентрации NO2 в 1 ppb (1 миллиардная доля (млрд-1)) сенсор демонстрирует отклик примерно в 3%.
Испытания сенсора в подвижных устройствах и при резких колебаниях температуры показали, что механические и температурные факторы не влияют на его показания.
График фиг. 3 показывает, что после прогрева происходит восстановление сопротивления сенсора до исходного значения R0. В ходе проведения испытаний не было выявлено признаков деградации компонентов сенсора (слой графена, подложка карбида кремния, металлические контакты к графену, сварка алюминиевых проволочек) при периодическом прогреве чипа до температуры 100-150°С.
Claims (4)
1. Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ, содержащий диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, поверхность подложки покрыта слоем графена, полученного сублимацией карбида кремния, вдоль торцов подложки предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки для размещения контактных площадок ступенчатой формы, контактирующих с торцами слоя графена и частью поверхности слоя графена, прилегающей к контактным площадкам.
2. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя графена составляет один моноатомный слой.
3. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au и Ni.
4. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены в форме трехслойной, структуры, при этом слой, контактирующий с диэлектрической подложкой, выполнен из Ti, а слой ступенчатой формы, контактирующий с графеновой пленкой, выполнен из Au и покрыт слоем Ni.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139071A RU2674557C1 (ru) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139071A RU2674557C1 (ru) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2674557C1 true RU2674557C1 (ru) | 2018-12-11 |
Family
ID=64753091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017139071A RU2674557C1 (ru) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2674557C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2780953C1 (ru) * | 2022-01-23 | 2022-10-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафСенсорс" | Мульти-графеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140175458A1 (en) * | 2012-12-21 | 2014-06-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Graphene structure, graphene device including same, and method of manufacturing graphene structure |
| KR20150097145A (ko) * | 2014-02-18 | 2015-08-26 | 한국화학연구원 | 유연소재 히터를 포함하는 그래핀 가스센서 |
| US20150377824A1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-12-31 | Infineon Technologies Ag | Graphene gas sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in gas environments |
| US9678036B2 (en) * | 2013-03-15 | 2017-06-13 | The Regents Of The University Of California | Graphene-based gas and bio sensor with high sensitivity and selectivity |
| US20170350882A1 (en) * | 2014-06-12 | 2017-12-07 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Graphene-based nanosensor for identifying target analytes |
-
2017
- 2017-11-10 RU RU2017139071A patent/RU2674557C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140175458A1 (en) * | 2012-12-21 | 2014-06-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Graphene structure, graphene device including same, and method of manufacturing graphene structure |
| US9678036B2 (en) * | 2013-03-15 | 2017-06-13 | The Regents Of The University Of California | Graphene-based gas and bio sensor with high sensitivity and selectivity |
| KR20150097145A (ko) * | 2014-02-18 | 2015-08-26 | 한국화학연구원 | 유연소재 히터를 포함하는 그래핀 가스센서 |
| US20170350882A1 (en) * | 2014-06-12 | 2017-12-07 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Graphene-based nanosensor for identifying target analytes |
| US20150377824A1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-12-31 | Infineon Technologies Ag | Graphene gas sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in gas environments |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.А. Лебедев, С.П. Лебедев, С.Н. Новиков, В.Ю. Давыдов, А.Н. Смирнов, Д.П. Литвин, Ю.Н. Макаров, В.С. Левицкий, Сверхчувствительный газовый сенсор на основе графена, Журнал технической физики, том 86, вып. 3, стр. 135-139, 2016. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2780953C1 (ru) * | 2022-01-23 | 2022-10-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафСенсорс" | Мульти-графеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1693667A1 (en) | Gas sensor | |
| Hossein-Babaei et al. | Titanium and silver contacts on thermally oxidized titanium chip: electrical and gas sensing properties | |
| Bag et al. | Room-temperature-operated fast and reversible vertical-heterostructure-diode gas sensor composed of reduced graphene oxide and AlGaN/GaN | |
| US9518950B2 (en) | Chemical sensor based on highly organized single walled carbon nanotube networks | |
| JP2004198418A (ja) | 油入高電圧電気機器において溶解炭化水素ガスを検出するためのセンサデバイス | |
| JP2009540334A (ja) | 異種電極を有するアンモニアセンサー | |
| US10571420B2 (en) | Nanolaminate gas sensor and method of fabricating a nanolaminate gas sensor using atomic layer deposition | |
| US20080300501A1 (en) | Fluid Analyser | |
| KR20080067592A (ko) | 가스 센서 | |
| Wei et al. | Semiconductor nanowire arrays for high‐performance miniaturized chemical sensing | |
| EP4102216A1 (en) | Multi-dimensional multi-parameter gas sensor and manufacturing method therefor, and gas detection method | |
| JP2010256353A (ja) | 気体検出装置、気体検出システム及び気体検出装置の製作方法 | |
| RU2674557C1 (ru) | Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ | |
| RU2132551C1 (ru) | Способ эксплуатации газового датчика | |
| JP2016217756A (ja) | ガスセンサ用デバイス、ガスセンサデバイス及びその製造方法、情報処理システム | |
| JP2021128036A (ja) | ガス濃度湿度検出装置 | |
| JP4340639B2 (ja) | 水素センサ及び水素の検知方法 | |
| JP2005030907A (ja) | ガスセンサ | |
| JP2020165896A (ja) | Ｍｅｍｓ型半導体式ガス検知素子 | |
| RU2403563C1 (ru) | Дифференциальный сенсорный датчик для газоанализатора | |
| JP2020165892A (ja) | Ｍｅｍｓ型半導体式ガス検知素子 | |
| JP5048213B2 (ja) | 半導体式ガス検知素子 | |
| EP4102217A1 (en) | Hydrogen gas sensor assembly | |
| RU2360237C1 (ru) | Твердотельный газовый сенсор (варианты) | |
| RU2086971C1 (ru) | Сенсорная структура |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200826 Effective date: 20200826 |