Чувствительность полупроводникового сенсора на основе оксидов цинка и кобальта к воздействию метана

Susceptibility of the semi-conducting sensor based on zink oxide and cobalt to methane impact
Цитировать:
Абдурахманов И.Э., Кабулов Б.Д. Чувствительность полупроводникового сенсора на основе оксидов цинка и кобальта к воздействию метана // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2016. № 8 (29). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/3562 (дата обращения: 20.07.2024).
Прочитать статью:
Keywords: methane; sensor; semiconductor; gas-sensitive material; cobalt oxide; zinc oxide; silicon oxide; signal of the sensor

АННОТАЦИЯ

Изучена чувствительность полупроводникового сенсора на основе оксидов цинка и кобальта к воздействию метана. Установлено, что чувствительность пленки оксида кремния к метану повышается при введении в ее структуру оксида цинка и кобальта. В широком интервале концентрации метана исследована зависимость сигнала сенсора от содержания легирующей примеси СоО в газочувствительном материале. Для получения композиционного газочувствительного материала легирование производилось на этапе созревания золь-гель растворов добавлением хлорида кобальта из расчета 1–10 масс. % CоO. После нанесения пленок на подложку проводилась термообработка в атмосфере кислорода.

Добавленние к газочувствительной материал на основе SiO2/ZnO в количестве 1 % CoO приводит к увеличению чувствительности сенсора метана на 1,5 раза. Дальнейшее увеличение содержания СоО в газочувствительном материале до 5 и 10 % повышает чувствительность сенсора к метану соответственно на 3,6 и 5,7 раза. Более чувствительные сенсоры метана получаются при использовании смешанных оксидов цинка и кобальта, где содержание СоО в газочувствительном материале 10 %. В диапазоне концентраций метана от 50 до 1000 мг/м3 зависимость сигнала от концентрации метана в смеси имеет прямолинейный характер.

ABSTRACT

Susceptibility of the semi-conducting sensor based on zinc oxide and cobalt to methane impact is studied. It is found that susceptibility of the silicon oxide film to methane increases in introduction of zinc oxide and cobalt into its structure. In the broad range of methane concentration the dependence of the sensor signal on the content of the dopant in the gas-sensitive material of CoO is investigated. To obtain composite gas sensitive material, doping is produced at stage of sol-gel solutions maturation by adding cobalt chloride at the rate of 1–10 mass. % CoO. After the film deposition on the substrate, heat treatment is performed in oxygen atmosphere.

Adding to the gas-sensitive material based on SiO2/ZnO in an amount of 1 % CoO leads to increase of methane sensor sensitivity by 1,5 times. Further increase of CoO content in the gas-sensitive material till 5 and 10 % increases the sensitivity to methane respectively over 3,6 and 5,7 times. More sensitive sensors of methane are obtained using mixed oxides of zinc and cobalt, wherein CoO content in the gas-sensitive material is 10 %. In the range of methane concentrations from 50 to 1000 mg/m3 signal dependence on methane concentration in the mixture has the linear character.

 

Интерес к сенсорам метана, несомненно, вызван их широким применением в экологии, хими­ческой, газовой, нефтехимической промышленности и технике безопасности [1, c. 9; 2, c. 50].

Свойство газочувствительности в полупровод­никовых материалах проявляется в изменении сопротивления (R) или электрической проводимости (σ) материала при воздействии на газочувствительный материал (ГЧМ) анализируемого газа с известней концентрацией. Изменение сопротивления (проводимости) происходит в результате ряда последовательных поверхностных физико-химических процессов. Протекающие адсорбционные процессы связаны с изменением электронного состояния поверхностных и приповерхностных атомных слоев, что приводит к изменению поверхностной проводимости ГЧМ.

Чувствительность пленки оксида кремния, образующейся в результате гидролиза тетраэтокси­силана (ТЭОС) к метану, повышается при введении в ее структуру оксида цинка. Более чувствительные сенсоры метана получаются при использовании смешанных оксидов кремния цинка и кобальта. Как правило, один из оксидов, первый (ZnO), является основным по массе, а другой (CoO), добавленный в небольших количествах в объем структуры первого оксида, или нанесенный каким-либо способом на его поверхность, позволяет улучшить газочувствительные свойства пленочного материала и рабочие характеристики сенсора газа в целом. Для получения композиционного газочувствительного материала легирование производилось на этапе созревания золь-гель растворов добавлением хлорида кобальта из расчета 1–10 масс. % CоO, которое обладает высокой каталитической активностью в процессе окисления метана. После нанесения пленок на подложку проводилась термообработка в атмосфере кислорода. Результаты исследования чувствительности пленок на основе ZnO легированной CoO в процессе определения метана приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты исследования чувствительности пленок на основе SiO2/ZnO-CoO в процессе определения метана (n=5, P=0,95)

Состав ГЧМ

Содерж. метана в смеси, мг/м3

Сигнал сенсора, 1/R кОм-1

х+Δх

S

Sr

1

SiO2/ZnO

1000

397±2

1,61

0,41

2

SiO2/ZnO+1 %CoO

1000

605±3

2,41

0,40

3

SiO2/ZnO+5 %CoO

1000

1441±5

4,02

0,28

4

SiO2/ZnO+10 %CoO

1000

2273±7

5,63

0,25

 

Из результатов экспериментов следует, что добавленние к ГЧМ в количестве от 1 до 10 % CoO обеспечивает повышение его чувствительности к метану. Добавленние к ГЧМ на основе SiO2/ZnO в количестве 1 % CoO приводит к увеличению чувствительности сенсора метана на 1,5 раза (таблица 1). Дальнейшее увеличение содержания СоО в ГЧМ до 5 и 10 % повышает чувствительность сенсора к метану соответственно на 3,6 и 5,7 раза. Более чувствительные сенсоры метана получаются при использовании смешанных оксидов цинка и кобальта, где содержание СоО в ГЧМ 10 %.

Исследование градуировочной характерис­тики полупроводникового сенсора метана проводилась в интервале концентрации метана 50–1500 мг/м3. при температуре 3750С. К преиму­ществам градуировочной характеристики на основе отношения сопротивлений Rвозд/.Rгаз относится возможность проведения на ее основе сравне­ния различных сенсоров при аналогичных условиях. Этот способ удо­бен при отображении изменений в эксплуатационных характеристиках одного сенсора в различных рабочих условиях.

Использование проводимости в качестве измеряемого параметра имеет по срав­нению с определением сопротивления преимущество, заключающееся в более наглядном представлении градуировочной характеристики, что используется при разработке схемы обработки сигнала газоанализатора. Кроме этого, элек­трические характеристики сенсора зависят от физической структуры чувстви­тельного слоя и определяются режимами его формирования.

В экспериментах в широком интервале концентрации метана исследована зависимость сигнала сенсора от содержания легирующей примеси (СоО) в ГЧМ. Для сравнения была получена нелегированная силикатная пленка (SiО2/ZnO). При этом было установлено, что сенсоры газов на основе пленок состава SiО2/ZnO-CoO проявляют высокую чувствительность к метану. В таблице 2 представлена зависимость сигнала сенсора от концентрации метана при температуре 375оС.

 

Таблица 2.

Зависимость сигнала полупроводникового сенсора от концентрации метана при температуре 375оС

№ п/п

Состав ГЧМ сенсора

Содержание метана в смеси,мг/м3

50

100

200

400

600

800

1000

1200

1500

Сигнал сенсора, Δσ/σвозд

1

SiО2/ZnO

0,01

0,02

0,04

0,07

0,10

0,12

0,15

0,17

0,18

2

SiО2/ZnO-1 %CoO

0,01

0,06

0,12

0,27

0,41

0,53

0,65

0,76

1,03

3

SiО2/ZnO-5 %CoO

0,02

0,23

0,44

0,81

1,15

1,52

1,87

2,24

2,79

4

SiО2/ZnO-10 %CoO.

0,04

0,53

0,86

1,53

2,19

2,85

3,54

4,24

5,32

 

Из приведенного данных в таблице 2 видно, что в диапазоне концентраций метана от 50 до 1000 мг/м3 зависимость Δσ/σвозд от концентрации метана в смеси имеет прямолинейный характер. Линейный характер зависимости Δσ/σвозд от концентрации метана позволил разработать несложную конструкцию измерителя концентрации метан.

В заключение следует отметить, что чувствительность пленки оксида кремния к метану повышается при введении в ее структуру оксида цинка и кобальта. Более чувствительные сенсоры метана получаются при использовании смешанных оксидов кремния цинка и кобальта с содержанием кобальта в ГЧМ 10 %.

В экспериментах в широком интервале концентрации метана исследована зависимость сигнала сенсора от содержания легирующей примеси (СоО) в ГЧМ. При этом было установлено, что в диапазоне концентраций метана от 50 до 1000 мг/м3 зависимость Δσ/σвозд от концентрации метана в смеси имеет прямолинейный характер.

 


Список литературы:

1. Анищенко Ю.В., Гусельников М.Э. Контроль аварийных выбросов в атмосферу // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «Безопасность. Технологии. Управление». – Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2009. – С. 9–14.
2. Гусельников М.Э., Кротова Ю.В. Разработка полупроводникового Газоанализатора // Безопасность жизнедеятельности, – М., 2008. – № 1. – С. 50–52.


References:

1. Anishchenko Iu.V., Gusel'nikov M.E. Control of accidental releases into the atmosphere. Izvestiia Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. Spetsial'nyi vypusk «Bezopasnost'. Tekhnologii. Upravlenie». [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. Special edition of "Safety. Technologies. Management"], Samara, Samara Scientific Center of RAS Publ., 2009. Р. 9–14 (In Russian).
2. Gusel'nikov M.E., Krotova Iu.V. Development of semiconductor gas analyzer. Bezopasnost' zhiznedeiatel'nosti. [Health and safety], Moscow, 2008, № 1, Р. 50–52 (In Russian).

 


Информация об авторах

Соискатель кафедры аналитической химии Самаркандского государственного университета, 40104,Узбекистан, г. Самарканд университетский бульвар 15

Degree-Seeking Student of Analytical Chemistry Chair, Samarkand State University, 140104, Uzbekistan, Samarkand, Universitetsky Boulevard Street, 15

Докт.хим.наук, профессор, зав. лаборатории Государственное унитарное предприятие «Фан ва тараққиёт», Ташкентский технический университет, 100095. Узбекистан, г.Ташкент, Алмазарский район. ул. Университетская, 2

Doctor of Chemistry, Professor, Head of Laboratory, State Unitary Enterprise "Fan va taraққiёt", Tashkent Technical University, 100095, Uzbekistan, Tashkent, Almazarsky District, Universitetskaya Street, 2

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top