UA85925U - Resistive ethanol sensor - Google Patents

Resistive ethanol sensor Download PDF

Info

Publication number
UA85925U
UA85925U UAU201305841U UAU201305841U UA85925U UA 85925 U UA85925 U UA 85925U UA U201305841 U UAU201305841 U UA U201305841U UA U201305841 U UAU201305841 U UA U201305841U UA 85925 U UA85925 U UA 85925U
Authority
UA
Ukraine
Prior art keywords
sensor
resistive
ethanol
nanostructures
semiconductor layer
Prior art date
Application number
UAU201305841U
Other languages
Russian (ru)
Ukrainian (uk)
Inventor
Борис Ігорович Турко
Борис Игоревич Турко
Наталія Володимирівна Сагайдачна
Наталия Владимировна Сагайдачная
Володимир Богданович Капустяник
Владимир Богданович Капустяник
Original Assignee
Львовский Национальный Университет Имени Ивана Франка
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Львовский Национальный Университет Имени Ивана Франка filed Critical Львовский Национальный Университет Имени Ивана Франка
Priority to UAU201305841U priority Critical patent/UA85925U/en
Publication of UA85925U publication Critical patent/UA85925U/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

A resistive ethanol sensor includes semiconductor layer applied on insulating carrier with two electrodes, system for gas supply and measuring circuit. Besides that, ZnO nano-structures are used as a sensitive semiconductor layer.

Description

Корисна модель належить до галузі метрології і може бути використана у харчовій промисловості для контролю вмісту етанолу в біотехнологічних процесах, а саме у виробництві спиртовмісних речовин і кондитерських виробів, у парфумерній промисловості і при діагностуванні спирту в подиху людини.The useful model belongs to the field of metrology and can be used in the food industry to control the content of ethanol in biotechnological processes, namely in the production of alcohol-containing substances and confectionery, in the perfume industry and in the diagnosis of alcohol in human breath.

Відомий резистивний сенсор газів на основі оксиду металу (ЗпО», або ІпгОз, або 7п0О), дія якого грунтується на вимірюванні зміни опору чутливого елемента на основі оксидів металів під впливом індикаторного газу (Вуйцік В., Готра 3., Григор'єв В. Мікроелектронні сенсори фізичних величин. - Львів: Ліга-Прес, 2002. - 475 с... Сенсори резистивного типу складаються з чутливої плівки, що наноситься на підкладку, нагрівача у вигляді резистивної плівки, яка наноситься з іншої сторони підкладки, і електродів.A resistive gas sensor based on metal oxide (ZpO", or IpOz, or 7p0O) is known, the action of which is based on measuring the change in the resistance of a sensitive element based on metal oxides under the influence of an indicator gas (Vuytsik V., Gotra 3., Grigoryev V. Microelectronic sensors of physical quantities - Lviv: Liga-Press, 2002. - 475 p... Resistive type sensors consist of a sensitive film applied to the substrate, a heater in the form of a resistive film applied on the other side of the substrate, and electrodes.

Недоліками такого сенсора є високі робочі температури (200-500 "С) і складні конструкції, зумовлені необхідністю встановлення нагрівного елемента.The disadvantages of such a sensor are high operating temperatures (200-500 "C) and complex designs due to the need to install a heating element.

Відомий резистивний сенсор газів типу Т25 822 для детектування випарів органічних розчинників. Сенсор виготовлений на основі плівки діоксиду стануму (ЗпОг), нанесеної на алюмінізовану керамічну трубку, всередині якої розміщений нагрівник. Чутливість такого сенсора до парів етанолу становить 300 ррт, чутливість до зміни опору не перевищує 40.A known resistive gas sensor type T25 822 for detecting vapors of organic solvents. The sensor is made on the basis of a film of stannous dioxide (ZpOg) applied to an aluminized ceramic tube, inside which a heater is placed. The sensitivity of such a sensor to ethanol vapors is 300 ppt, the sensitivity to resistance changes does not exceed 40.

Іїапаагт Тептв апа Сопайнопв ої ЗаїІе ої Рідаго ОА Іпс., млум/. Рідагозепзог.сот/Летптв.пті.Iiapaagt Teptv apa Sopainopv oi ZaiIe oi Ridago OA Ips., mlum/. Ridagozepsog.sot/Letptv.pti.

Недоліками такого сенсора є відносно невисока чутливість та складність конструкції через необхідність застосування нагрівного елемента.The disadvantages of such a sensor are relatively low sensitivity and the complexity of the design due to the need to use a heating element.

Відомий газовий сенсор на основі наноструктур оксиду металу з п-типом провідності (ЗпО», або ІпгОз, або 7пО), який має вищу аніж у плівкових датчиках чутливість та менший час відгуку.A known gas sensor based on metal oxide nanostructures with n-type conductivity (ZpO", or IpgOz, or 7pO), which has a higher sensitivity and a shorter response time than film sensors.

Порівняно з плівковим, сенсор на основі наноструктур має кращі характеристики, зумовлені більшою величиною його робочої площі поверхні |(Зсптіді-Мепаве І. 7пО-Мапозігисіигез, ЮОеєїесів, апа Оеємісез / І. Зсптіді-Мепає, У. МасМапив-Огізсої! // Маїетіа!5 Тодау. - 2007. - М. 10. - Р. 40-48.Compared to the film sensor, the sensor based on nanostructures has better characteristics due to the larger size of its working surface area |(Zsptidi-Mepave I. 7pO-Mapozygisiygez, YuOeyesiv, apa Oeyemisez / I. Zsptidi-Mepaye, U. MasMapyv-Ogizzoi! // Maietia !5 Todau. - 2007. - M. 10. - R. 40-48.

Недоліками таких сенсорів є використання вихідних матеріалів високої чистоти та вартісного обладнання, яке використовують для отримання наноструктур.The disadvantages of such sensors are the use of raw materials of high purity and expensive equipment used to obtain nanostructures.

Найбільш близьким за технічним рішенням до пропонованої корисної моделі - прототипом є сенсор етанолу на основі оксиду цинку ІВ.Б. Капустяник, Б.І. Турко, М.Р. Панасюк, М.В. Партика,The closest technical solution to the proposed useful model - the prototype is the ethanol sensor based on zinc oxide I.B. Kapustyanik, B.I. Turko, M.R. Panasiuk, M.V. Party,

В.Я. Кулик Інженерія чутливих елементів сенсорів пари етанолу, аміаку та ацетону на основіV.Ya. Kulyk Engineering of sensitive elements of ethanol, ammonia and acetone based vapor sensors

Зо тонких плівок 2пО:Си // бБепзог ЕІесігопіс5 апа Місгозузтет Тесппоїіодіев5. - 2012. - Т. 3. - б. 48- 52). Сенсор складається з сенсорної плівки, нанесеної на сіталову підкладку, нісель-хромового нагрівача і алюмінієвих контактних майданчиків. Сенсор етанолу на основі оксиду цинку працює на поверхневих ефектах, робоча температура якого становить 200-400 "С. При дії на плівку 210 парів етанолу провідність зростає, опір зменшується. Значно покращуються газочутливі характеристики плівки при введенні легуючих домішок, наприклад, міді. Найвища чутливість досягається для плівки 7пО:Си, при часі відгуку - 100 сек.From thin films 2pO:Sy // bBepsog Eiesigopis5 apa Misgozuztet Tesppoiiodiev5. - 2012. - T. 3. - b. 48-52). The sensor consists of a sensor film applied to a mesh substrate, a Nisel chrome heater and aluminum contact pads. The ethanol sensor based on zinc oxide works on surface effects, the operating temperature of which is 200-400 "C. When the film is exposed to 210 ethanol vapors, the conductivity increases, the resistance decreases. The gas-sensitive characteristics of the film are significantly improved when alloying impurities are introduced, for example, copper. The highest sensitivity is achieved for a 7pO:Sy film, with a response time of 100 seconds.

Недоліками сенсора етанолу є енерговитратна технологія виготовлення сенсорної плівки із застосуванням складного обладнання, невисока чутливість до малих концентрацій етанолу (зміна опору не перевищує 10 разів).The disadvantages of the ethanol sensor are the energy-consuming technology of manufacturing the sensor film with the use of complex equipment, low sensitivity to small concentrations of ethanol (change in resistance does not exceed 10 times).

В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити резистивний сенсор етанолу шляхом використання для чутливого шару наноструктур 2пО, які забезпечують зростання величини робочої площі поверхні сенсора, що дасть змогу знизити енерговитрати при отриманні чутливого елемента сенсора та підвищити його чутливість.The useful model is based on the task of improving the resistive ethanol sensor by using 2pO nanostructures for the sensitive layer, which provide an increase in the size of the working surface area of the sensor, which will make it possible to reduce energy consumption when producing a sensitive element of the sensor and increase its sensitivity.

Поставлена задача вирішується тим, що у резистивному сенсорі етанолу, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на непровідну підкладку з двома електродами та нагрівним елементом, систему подачі парів етилового спирту і вимірювальну схему, як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктури 2п0.The problem is solved by the fact that in a resistive ethanol sensor, which contains a sensitive semiconductor layer deposited on a non-conductive substrate with two electrodes and a heating element, a system for supplying ethyl alcohol vapors and a measuring circuit, 2n0 nanostructures are used as a sensitive semiconductor layer.

Заявлений сенсор і прототип мають суттєві спільні ознаки (чутливий елемент з 7п0, сіталова підкладка, омічні контакти та вимірювальна схема).The proposed sensor and the prototype have significant common features (sensitive element with 7p0, sieve substrate, ohmic contacts and measuring circuit).

Технічний результат заявленого сенсора обумовлений тим, що автори корисної моделі вперше використали для створення чутливого елемента сенсора етанолу наноструктури 2пО з р-типом провідності (Патент на корисну модель Мо 78485 Україна, МПК СО1с 9/00. Спосіб отримання наноструктурованого матеріалу 7пО з р-типом провідності. Г.О. Лубочкова, Б.Ї.The technical result of the claimed sensor is due to the fact that the authors of the useful model used for the first time to create a sensitive element of the ethanol sensor a nanostructure of 2pO with p-type conductivity (Patent for a utility model Mo 78485 Ukraine, IPC СО1с 9/00. The method of obtaining a nanostructured material of 7pO with p-type G.O. Lubochkova, B.Yi.

Турко, О.П. Крегель, В.Б. Капустяник, І. Кітик, М. Пясецкі. - Мо и201208985 Заявл. 20.07.2012;Turko, O.P. Kregel, V.B. Kapustyanik, I. Kityk, M. Pyasetsky. - MO and 201208985 Application. 07/20/2012;

Опубл. 25.03.2013, Бюл. Мо 6), що дало змогу проводити індикацію малих концентрацій етанолу.Publ. 25.03.2013, Bul. Mo 6), which made it possible to indicate small concentrations of ethanol.

Фіг. 1. Мікрофотографія поверхні чутливого елемента сенсора на основі наноструктур оксиду цинку.Fig. 1. Photomicrograph of the surface of the sensitive sensor element based on zinc oxide nanostructures.

Фіг. 2. Схематичне зображення (вигляд згори) резистивного сенсора, де 1 - сіталова підкладка, 2 - алюмінієві контактні майданчики, З - чутливий елемент з наноструктур оксиду (516) цинку.Fig. 2. Schematic image (top view) of a resistive sensor, where 1 is a mesh substrate, 2 is an aluminum contact pad, and C is a sensitive element made of zinc oxide (516) nanostructures.

Фіг. 3. Схематичне зображення сенсора (вигляд знизу): 1 сіталова підкладка, 2 - нікель- хромовий нагрівач.Fig. 3. Schematic image of the sensor (bottom view): 1 sieve substrate, 2 - nickel-chromium heater.

Фіг. 4. Крива відгуку сенсора, створеного на основі наноструктур 2пО, на пари етилового спирту з концентрацією 100 ррт за робочої температури 350 "С. Резистивний сенсор етанолу складається з наноструктур 27пО, отриманих електроосадженням з водного розчину в електрохімічній комірці з двома електродами, сіталової підкладки, з нанесеними на неї за допомогою установки ВУП-5М термічним випаровуванням у вакуумі, двома контактними алюмінієвими електродами і нікель-хромового нагрівача.Fig. 4. The response curve of a sensor created on the basis of 2pO nanostructures to ethanol vapor with a concentration of 100 ppt at an operating temperature of 350 "C. The resistive ethanol sensor consists of 27pO nanostructures obtained by electrodeposition from an aqueous solution in an electrochemical cell with two electrodes, a sieve substrate, with thermal evaporation in a vacuum, two contact aluminum electrodes and a nickel-chromium heater applied to it using the VUP-5M installation.

Осадження наноструктур здійснюють з водного еквімолярного розчину 7п(МОз)2:бНгО та гексаміну СеН:2Ма4 з концентрацією обох реагентів у межах 10-30 мМ з рН розчину близько 7. На робочий електрод-підкладку подають напругу - 0,9 В. Щоб збільшити електропровідність розчину додають 0,1 М водний розчин КСІ. На протилежну сторону сіталової підкладки осаджують термічним випаровуванням у вакуумі нікель-хромовий резистивний нагрівач.Deposition of nanostructures is carried out from an aqueous equimolar solution of 7p(MOz)2:bHgO and hexamine SeH:2Ma4 with a concentration of both reagents in the range of 10-30 mM with a solution pH of about 7. A voltage of 0.9 V is applied to the working electrode-substrate. To increase 0.1 M aqueous solution of KSI is added to the electrical conductivity of the solution. A nickel-chromium resistive heater is deposited on the opposite side of the sieve substrate by thermal evaporation in a vacuum.

Алюмінієві контактні майданчики та нікель-хромовий резистивний нагрівач наносять за певними шаблонами. Вимірювання товщини алюмінієвих і нікель-хромових плівок - здійснюють на мікроїнтерферометрі МИ-4. Площа поверхні чутливого елемента сенсора з наноструктур 7п0 становить 1 см.The aluminum contact pads and the nickel-chromium resistive heater are applied according to certain patterns. Thickness measurements of aluminum and nickel-chromium films are carried out on the MI-4 microinterferometer. The surface area of the sensitive element of the sensor made of 7p0 nanostructures is 1 cm.

Дослідження сенсорних властивостей наноструктур проводять з використанням герметичної камери з капіляром для подачі аналізованої речовини, у якій розміщують зразок з металічними контактами та нагрівачем. Зміну опору фіксують після досягнення стаціонарного значення (через 60-120 с). Вимірювання опору і робочої температури сенсора здійснюють мультиметромThe study of sensory properties of nanostructures is carried out using a hermetic chamber with a capillary for supplying the analyzed substance, in which a sample with metal contacts and a heater is placed. The change in resistance is fixed after reaching a stationary value (after 60-120 s). The resistance and operating temperature of the sensor are measured with a multimeter

ВМ859СРа (ВКУМЕМ, Тайвань) з хромель-алюмелевою термопарою та програмним забезпеченням. На фіг. 4 наведено приклад відгуку сенсора, створеного на основі наноструктур 27п0, на пари етилового спирту, який ілюструє його роботу. А у таблиці зведено порівняльні властивості сенсорів етанолу на основі оксиду цинку.ВМ859СРа (VKUMEM, Taiwan) with chromel-alumel thermocouple and software. In fig. 4 shows an example of the response of a sensor created on the basis of 27p0 nanostructures to ethyl alcohol vapors, which illustrates its operation. And the table summarizes the comparative properties of ethanol sensors based on zinc oxide.

При поміщенні сенсора в газове середовище на його поверхні адсорбуються частинкиWhen the sensor is placed in a gas environment, particles are adsorbed on its surface

С2Н5»ОнН. Під дією малих концентрацій парів етанолу 100 ррт спостерігається суттєве збільшення опору датчика (Фіг. 4), а саме - у 55 разів. Час відгуку сенсора складає 10 с, а відновлення відбувається протягом 5 хвилин витримки на повітрі (Таблиця).С2Н5»ОнН. Under the influence of small concentrations of ethanol vapors of 100 ppt, a significant increase in the resistance of the sensor (Fig. 4), namely - by 55 times, is observed. The response time of the sensor is 10 s, and recovery occurs within 5 minutes of exposure to air (Table).

Коо)Coo)

ТаблицяTable

Порівняльні властивості сенсорів етанолу на основі оксиду цинкуComparative properties of ethanol sensors based on zinc oxide

Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - зниження енерговитрат при отриманні чутливого елемента сенсора та підвищення чутливості удосконаленням технології виготовлення сенсорного шару із застосуванням наноструктур 2пО, що забезпечує зростання величини робочої площі поверхні сенсора.The useful model provides the expected technical result - a reduction in energy consumption when producing a sensitive element of the sensor and an increase in sensitivity by improving the manufacturing technology of the sensor layer using 2pO nanostructures, which ensures an increase in the size of the working area of the sensor surface.

Claims (1)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Резистивний сенсор етанолу, який містить чутливий напівпровідниковий шар, нанесений на 40 непровідну підкладку із двома електродами, систему подачі газу і вимірювальну схему, який відрізняється тим, що як чутливий напівпровідниковий шар використовують наноструктуриUTILITY MODEL FORMULA A resistive ethanol sensor that includes a sensitive semiconductor layer deposited on a non-conductive two-electrode substrate 40, a gas supply system, and a measurement circuit characterized by the use of nanostructures as the sensitive semiconductor layer 7п0.7p0. ЕХ о. З За ж ВИ ОХ ОЗ Я с о» о о п с 0. я о. КО З с: є ПКУ ОКО ї. ОККО ОО КЕ о о с п я и п М . По с п с оEH about Z Za z YOU OH OZ I s o» o o p s 0. I o. KO Z c: there is a PKU OKO i. OKKO OO KE o o s p ia i p M . After s p s o Фіг. 1 лох с ПЕ ! І о нн НН Я З ПЕОЕВОеВВе ех ОХ ОО БО ш ФФБ Б м Е КО по пн В ше ке Н ЕХ оо нн ХУНВО шк шо Н М ОО ООО Ве Ок ОК ВЯ нн В нн НС сен нон о ! ШЕ но пан с і. ше з 1Fig. 1 fool with PE! I o nn NN I Z PEOEVOeVve eh OH OO BO sh FFB B m E KO po pn V she ke N EH oo nn HUNVO shk sho N M OO OOO Ve Ok OK VYA nn V nn NS sen non o ! SHE but Mr. S and. more than 1 Фіг. 7 щі ше щ ше шщщ- ши шщщ-Fig. 7 shsh shsh shsh shshsh- shi shshsh- ! . . . . . . -- а ш 1 ВОМУ 5 В КОЖ І шу х - т ют І 2! . . . . . . -- a w 1 VOMU 5 V KOHZ I shu h - t ut I 2 Фіг. ЗFig. WITH «МНЕ"ME ЗОН. 1 З ко часов х. 5 Ша Бо я ся Ї й ля й реа на ЗЕ ННЕЖННХ, повно в й й нн нини нини нин мин нини пня нан зви пн мими вими й за:я4 Тая 1 ТК кеВ 28 А Час, хв. сок.ZONE 1 With ko hours x. 5 For I am and rea and rea, full of now nowadays now, now the nanny nan is clustered and for: I4 TA 4 TC KEV 28 And time, min. juice Фіг. 4Fig. 4
UAU201305841U 2013-05-07 2013-05-07 Resistive ethanol sensor UA85925U (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAU201305841U UA85925U (en) 2013-05-07 2013-05-07 Resistive ethanol sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAU201305841U UA85925U (en) 2013-05-07 2013-05-07 Resistive ethanol sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
UA85925U true UA85925U (en) 2013-12-10

Family

ID=52285498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
UAU201305841U UA85925U (en) 2013-05-07 2013-05-07 Resistive ethanol sensor

Country Status (1)

Country Link
UA (1) UA85925U (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MD4347C1 (en) * 2014-07-15 2015-11-30 Виорел ТРОФИМ Gas sensor based on MoO3
RU2609793C1 (en) * 2015-11-17 2017-02-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) Resistive sensor with transparent conductive electrode

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MD4347C1 (en) * 2014-07-15 2015-11-30 Виорел ТРОФИМ Gas sensor based on MoO3
RU2609793C1 (en) * 2015-11-17 2017-02-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) Resistive sensor with transparent conductive electrode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kanaparthi et al. Highly sensitive and ultra-fast responsive ammonia gas sensor based on 2D ZnO nanoflakes
Kaur et al. RF sputtered SnO2: NiO thin films as sub-ppm H2S sensor operable at room temperature
Mani et al. Novel and facile synthesis of randomly interconnected ZnO nanoplatelets using spray pyrolysis and their room temperature sensing characteristics
Zhang et al. Fabrication of SnO2–ZnO nanocomposite sensor for selective sensing of trimethylamine and the freshness of fishes
Sysoev et al. Percolating SnO2 nanowire network as a stable gas sensor: Direct comparison of long-term performance versus SnO2 nanoparticle films
Le Hung et al. Enhancement of CO gas sensing properties in ZnO thin films deposited on self-assembled Au nanodots
Qi et al. High performance indium-doped ZnO gas sensor
Kamble et al. From nanowires to cubes of CdO: Ethanol gas response
Datta et al. Vacuum deposited WO3 thin films based sub-ppm H2S sensor
Sun et al. UV-activated room temperature metal oxide based gas sensor attached with reflector
Fu CuS-doped CuO nanoparticles sensor for detection of H2S and NH3 at room temperature
Velumani et al. Impedometric humidity sensing characteristics of SnO 2 thin films and SnO 2–ZnO composite thin films grown by magnetron sputtering
Tsai et al. Improved crystalline structure and H2S sensing performance of CuO–Au–SnO2 thin film using SiO2 additive concentration
CN108169284A (en) Humidity sensor based on carbon dots doping molybdenum disulfide thin slice and preparation method thereof
Ievlev et al. Ultrathin films of palladium oxide for oxidizing gases detecting
Yin et al. Moisture-induced reversible material transition behavior of Nickel (II) bromide for low humidity detection
UA85925U (en) Resistive ethanol sensor
Takács et al. Gas sensitivity of sol-gel prepared mesoporous WO3 thin film
Srivastava et al. Room temperature RF magnetron sputtered nanocrystalline NiO thin films for highly responsive and selective H2S gas sensing at low ppm concentrations
Chang et al. Cr-doped ZnO based NO2 sensors with high sensitivity at low operating temperature
RU133312U1 (en) GAS SENSOR BASED ON HYBRID NANOMATERIALS
Bari et al. Chemically sprayed nanocomposite SnO2–ZnO thin film for ethanol gas sensor
Şahin et al. Simple and low-cost synthesis of Al-doped ZnO/CuO composite nanowires for highly efficient hydration level sensing
Park et al. High sensitive NO2 gas sensor with low power consumption using selectively grown ZnO nanorods
Rosli et al. Post-deposition heat treatment effect on pH sensing behavior of chemical bath deposited nanostructured zinc oxide