Исследование металлоксидного газового сенсора повышенной селективности и энергоэффективности

Развитие газоаналитических приборов на базе полупроводниковых металлоксидных сенсоров связано с ростом их чувствительности, селективности и энергоэффективности. В работе представлены результаты исследования нового металлоксидного газового сенсора. Улучшение характеристик сенсора обеспечивалось за счет миниатюризации диэлектрической подложки и температурной модуляции. Потребляемая мощность изготовленного с использованием разработанной диэлектрической подложки на основе керамики из оксида алюминия (размеры 1,50 × 1,50 × 0,63 мм) сенсора составила около 250 мВт при рабочей температуре 723 К. Для изготовления микронагревателя применяли платиновую резистивную пасту, состоящую из покрытых платиной микронных частиц оксида алюминия и стекла. Резистивную пленку с сопротивлением листа около 4 Ом получали методом трафаретной печати, газочувствительный материал сенсора — золь-гель-методом. Для обработки обучающих подвыборок экспериментальных данных с помощью метода главных компонент выделяли области на плоскости главных компонент, соответствующие условно однокомпонентным газовым системам. Показано, что качественный и количественный анализы условно однокомпонентных газовых систем возможны с помощью единичного металлоксидного сенсора на основе диоксида олова с наночастицами золота в режиме температурной модуляции. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых моделей универсальных и компактных газоаналитических приборов с повышенной энергоэффективностью и селективностью.

1. Yamazoe N. New approaches for improving semiconductor gas sensors / Sensors Actuators B: Chem. 1991. Vol. 5. P. 7 – 19. DOI: 10.1016/0925-4005(91)80213-4

2. Weimar U., Göpel W. Chemical imaging: II. Trends in practical multiparameter sensor systems / Sensors Actuators B: Chem. 1998. Vol. 52. P. 143 – 161. DOI: 10.1016/S0925-4005(98)00268-8

3. Comini E., Baratto C., Concina I., et al. Metal oxide nanoscience and nanotechnology for chemical sensors / Sensors Actuators B: Chem. 2013. Vol. 179. P. 3 – 20. DOI: 10.1016/j.snb.2012.10.027

4. Yamazoe N. Toward innovations of gas sensor technology / Sensors Actuators B: Chem. 2005. Vol. 108. P. 2 – 14. DOI: 10.1016/j.snb.2004.12.075

5. Kim S. H., Yun K. S. Room-temperature hydrogen gas sensor composed of palladium thin film deposited on NiCo2O4 nanoneedle forest / Sensors Actuators B: Chem. 2023. Vol. 376. P. 132958. DOI: 10.1016/j.snb.2022.132958

6. Wu C.-M. S., Motora K. G., Chen G. Y., et al. Highly efficient reduced tungsten oxide-based hydrogen gas sensor at room temperature / Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol. 2023. Vol. 289. P. 116285. DOI: 10.1016/j.mseb.2023.116285

7. Lee J., Kim S., Yoo H., Lee W. Pd-WO3 chemiresistive sensor with reinforced self-assembly for hydrogen detection at room temperature / Sensors Actuators B: Chem. 2022. Vol. 368. P. 132236. DOI: 10.1016/j.snb.2022.132236

8. Maji B., Barik B., Sahoo S., et al. Shape selective comprehensive gas sensing study of different morphological manganese – cobalt oxide based nanocomposite as potential room temperature hydrogen gas sensor / Sensors Actuators B: Chem. 2023. Vol. 380. P. 133348. DOI: 10.1016/j.snb.2023.133348

9. Kim S. H., Yun K. S. Room-temperature hydrogen gas sensor composed of palladium thin film deposited on NiCo2O4 nanoneedle forest / Sensors Actuators B: Chem. 2023. Vol. 376. P. 132958. DOI: 10.1016/j.snb.2022.132958

10. Li Y., Song X., Li L., et al. Low concentration CO gas sensor constructed from MoS2 nanosheets dispersed SnO2 nanoparticles at room temperature under UV light / Ceram. Int. 2023. Vol. 49. P. 10249 – 10254. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.11.204

11. Sayago I., Santos J., Sánchez-Vicente C. The effect of rare earths on the response of photo UV-activate ZnO gas sensors / Sensors. 2022. Vol. 22. P. 8150. DOI: 10.3390/s22218150

12. Zhang L., Zhang H., Chen C., et al. Preparation and mechanism of high-performance ammonia sensor based on tungsten oxide and zinc oxide composite at room temperature / Curr. Appl. Phys. 2023. Vol. 45. P. 30 – 36. DOI: 10.1016/j.cap.2022.10.012

13. Nadekar B., Khollam Y., Shaikh S., et al. Plasma-polymerized thiophene-reduced graphene oxide composite film sensor for ammonia/amine detection at room temperature / Chemosensors. 2023. Vol. 11. P. 42. DOI: 10.3390/chemosensors11010042

14. Li S., Liu A., Yang Z., et al. Room temperature gas sensor based on tin dioxide@ polyaniline nanocomposite assembled on flexible substrate: ppb-level detection of NH3 / Sensors Actuators B: Chem. 2019. Vol. 299. P. 126970. DOI: 10.1016/j.snb.2019.126970

15. Shafiei M., Hoshyargar F., Lipton-Duffin J., et al. Conversion of n-type CuTCNQ into p-type nitrogen-doped CuO and the implication for room-temperature gas sensing / J. Phys. Chem. C. 2015. Vol. 119. P. 22208 – 22216. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b06894

16. Kim D. W., Park K. H., Lee S. H., et al. Plasmon expedited response time and enhanced response in gold nanoparticles-decorated zinc oxide nanowire-based nitrogen dioxide gas sensor at room temperature / J. Colloid Interface Sci. 2021. Vol. 582. P. 658 – 668. DOI: 10.1016/j.jcis.2020.08.082

17. Alouani M., Casanova-Cháfer J., Güell F., et al. ZnO-Loaded graphene for NO2 gas sensing / Sensors. 2023. Vol. 23. P. 6055. DOI: 10.3390/s23136055

18. Zhang C., Wang J., Olivier M., Debliquy M. Room temperature nitrogen dioxide sensors based on N719-dye sensitized amorphous zinc oxide sensors performed under visible-light illumination / Sensors Actuators B: Chem. 2015. Vol. 209. P. 69 – 77. DOI: 10.1016/j.snb.2014.11.090

19. Yang Z., Jiang L., Wang J., et al. Flexible resistive NO2 gas sensor of three-dimensional crumpled MXene Ti3C2Tx/ZnO spheres for room temperature application / Sensors Actuators B: Chem. 2021. Vol. 326. P. 128828. DOI: 10.1016/j.snb.2020.128828

20. Sen S., Bhandarkar V., Muthe K., et al. Highly sensitive hydrogen sulphide sensors operable at room temperature / Sensors Actuators B: Chem. 2006. Vol. 115. P. 270 – 275. DOI: 10.1016/j.snb.2005.09.013

21. Shewale P. S., Yun K. S. Synthesis and characterization of Cu-doped ZnO/RGO nanocomposites for room-temperature H2S gas sensor / J. Alloys Compd. 2020. Vol. 837. P. 155527. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155527

22. Zhang C., Zhang S., Yang Y., et al. Highly sensitive H2S sensors based on metal-organic framework driven γ-Fe2O3 on reduced graphene oxide composites at room temperature / Sensors Actuators B: Chem. 2020. Vol. 325. P. 128804. DOI: 10.1016/j.snb.2020.128804

23. Zvyagin A. A., Nenakhov D. V., Kotov V. V., et al. Selective determination of formaldehyde in the air using piezoresonant sensors with coatings of natural high-molecular compounds / Industr. Lab. Mare. Diagn. 2010. Vol. 76. No. 7. P. 9 – 12 [in Russian].

24. Filatova D. G., Bogdanova A. P., Krivetskiy V. V., et al. Quantification of Si dopant in β-Ga2O3-based semiconductor gas sensors by total reflection X-ray fluorescence spectroscopy (TXRF) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. No. 8. P. 5 – 9 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-8-5-9

25. Mintcheva N., Srinivasan P., Rayappan J., et al. Room-temperature gas sensing of laser-modified anatase TiO2 decorated with Au nanoparticles / Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 507. P. 145169. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.145169

26. Vasiliev A. A., Pavelko R. G., Gogish-Klushin S. Y., et al. Alumina MEMS platform for impulse semiconductor and IR optic gas sensors / Sensors Actuators B: Chem. 2008. Vol. 132. P. 216 – 223. DOI: 10.1016/j.snb.2008.01.043

27. Vasiliev A. A., Pisliakov A. V., Sokolov A. V., et al. Non-silicon MEMS platforms for gas sensors / Sensors Actuators B: Chem. 2016. Vol. 224. P. 700 – 713. DOI: 10.1016/j.snb.2015.10.066

28. Vasiliev A., Shaposhnik A., Kul O. The role of convection and size effects in sensor microhotplate heat exchange / Proceedings. 2024. Vol. 97. P. 150. DOI: 10.3390/proceedings2024097150

29. Shaposhnik A., Moskalev P., Sizask E., et al. Selective detection of hydrogen sulfide and methane by a single MOX-sensor / Sensors. 2019. Vol. 19. P. 1135. DOI: 10.3390/s19051135

30. Shaposhnik A. V., Shaposhnik D. A., Turishchev S. Y., et al. Gas sensing properties of individual SnO2 nanowires and SnO2 sol-gel nanocomposites / Beilstein J. Nanotechnol. 2019. Vol. 10. P. 1380 – 1390. DOI: 10.3762/bjnano.10.136

31. Shaposhnik A. V., Moskalev P. V., Chegereva K. L., et al. Selective gas detection of H2 and CO by a single MOX-sensor / Sensors Actuators B: Chem. 2021. Vol. 334. P. 129376. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129376

32. Kim M. G. Multivariate outliers and decompositions of Mahalanobis distance / Commun. Stat. Theory Methods. 2000. Vol. 29. P. 1511 – 1526. DOI: 10.1080/03610920008832559