[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2532428C1 - Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis - Google Patents

Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis Download PDF

Info

Publication number
RU2532428C1
RU2532428C1 RU2013133184/04A RU2013133184A RU2532428C1 RU 2532428 C1 RU2532428 C1 RU 2532428C1 RU 2013133184/04 A RU2013133184/04 A RU 2013133184/04A RU 2013133184 A RU2013133184 A RU 2013133184A RU 2532428 C1 RU2532428 C1 RU 2532428C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
ratio
sensitive layer
nanostructure
gas sensor
Prior art date
Application number
RU2013133184/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Александрович Аверин
Вячеслав Алексеевич Мошников
Александр Иванович Максимов
Игорь Александрович Пронин
Андрей Андреевич Карманов
Светлана Евгеньевна Игошина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет")
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет")
Priority to RU2013133184/04A priority Critical patent/RU2532428C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2532428C1 publication Critical patent/RU2532428C1/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to manufacture of gas sensors intended for detection of different gases. The invention proposes a gas sensor manufacturing method, in which a heterostructure is formed of different materials; a gas-sensitive layer is made in it; after that, it is fixed in the sensor housing, and contact pads are connected to terminals of the housing by means of contact conductors. The gas-sensitive layer is made in the form of a thin tread-like nanostructure (SiO2)20%(SnO2)80%, where 20% - mass fraction of SiO2, and 80% - mass fraction of component SnO2, by application of sol of orthosilicic acid, which contains stannum hydroxide, onto a silicone surface by means of a centrifuge with further annealing. An area with width of 1 mcm and depth of 200 nm is formed on the surface of the substrate surface by a method of local anodic oxidation. Sol is prepared at two stages: at the first stage, Tetraethoxysilane (TEOS) and ethyl alcohol (95%) is mixed in the ratio of 1:1.046 at room temperature, and the mixture is exposed during about 30 minutes, and at the second stage, to the obtained solution there introduced is distilled water in the ratio of 1:0.323; hydrochloric acid (HCl) in the ratio of 1:0.05; stannum chloride dihydrate (SnCl2·2H2O) in the ratio of 1:0.399, where TEOS volume is accepted as one, and stirred at least during 60 minutes. The invention also proposes a gas sensor with a nanostructure, which is made as per the proposed method.
EFFECT: increasing gas sensor sensitivity.
2 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении газовых сенсоров нового поколения, предназначенных для детектирования различных газов.The present invention relates to measuring technique and can be used in the manufacture of gas sensors of a new generation, designed to detect various gases.

В настоящее время газовые сенсоры активно применяются практически во всех отраслях промышленности, транспорта, а также в сельском хозяйстве и медицине. Газовые сенсоры составляют основу для создания систем противопожарной и экологической безопасности. Наиболее распространены газовые сенсоры на основе полупроводниковых оксидов металлов, например оксида олова (SnO2). Механизм действия подобных устройств основан на изменении электропроводности полупроводников n-типа проводимости в ходе происходящих на их поверхности химических превращений, например взаимодействия детектируемого газа с хемосорбированным кислородом. Сенсоры на основе SnO2 характеризуются низкой стоимостью, хорошим временем отклика и рядом других преимуществ. Их типичными недостатками являются длительное время сброса показаний (вследствие конечного времени десорбции газов) и недостаточная селективность к детектируемым газам.Currently, gas sensors are actively used in almost all industries, transport, as well as in agriculture and medicine. Gas sensors form the basis for creating fire and environmental safety systems. The most common gas sensors based on semiconductor metal oxides, such as tin oxide (SnO 2 ). The mechanism of action of such devices is based on a change in the electrical conductivity of n-type semiconductors during chemical transformations occurring on their surface, for example, the interaction of a detected gas with chemisorbed oxygen. Sensors based on SnO 2 are characterized by low cost, good response time and a number of other advantages. Their typical drawbacks are a long time of dumping readings (due to the finite time of desorption of gases) and insufficient selectivity to the detected gases.

Известен способ анализа полупроводниковыми сенсорами газовой смеси, содержащей горючие газы, такие как CO и H2. В качестве газочувствительного слоя используется диоксид олова, допированный сурьмой. Полученные по данному изобретению газочувствительные пленки SnO2 обнаружили высокую чувствительность к H2 и CO в атмосферах O2/N2 и O2/N2/паров-H2O. Температурный интервал чувствительности сенсоров, полученных по этому способу, составляет 200-550°C [1].A known method of analyzing semiconductor sensors of a gas mixture containing combustible gases, such as CO and H 2 . Tin dioxide doped with antimony is used as a gas-sensitive layer. The gas-sensitive SnO 2 films obtained according to this invention showed high sensitivity to H 2 and CO in atmospheres O 2 / N 2 and O 2 / N 2 / vapors-H 2 O. The temperature range of sensitivity of the sensors obtained by this method is 200-550 ° C [1].

Известно сенсорное устройство для детектирования CO, включающее изолирующую подложку с измерительными электродами, слой полупроводникового оксида и каталитический слой, содержащий один из следующих металлов - Pt, Rh, Pd на оксидном носителе и нагревательный элемент. Указанное устройство обеспечивает сравнительно высокую чувствительность к CO при умеренной температуре нагревательного элемента (120°C и ниже). Недостатками предложенного устройства являются низкая стабильность сенсора, вызванная деградацией структуры чувствительного слоя полупроводникового оксида.A sensor device for detecting CO is known, including an insulating substrate with measuring electrodes, a semiconductor oxide layer and a catalytic layer containing one of the following metals — Pt, Rh, Pd on an oxide support and a heating element. The specified device provides a relatively high sensitivity to CO at a moderate temperature of the heating element (120 ° C and below). The disadvantages of the proposed device are the low stability of the sensor caused by degradation of the structure of the sensitive layer of the semiconductor oxide.

Известно сенсорное устройство для индикации CO, в котором в качестве материала чувствительного элемента используется оксид олова с тонко диспергированной платиной, для создания оптимальной пористой структуры активного слоя используются добавки силикатов, таких как полевые шпаты и бентонит [3]. Достоинством устройства является возможность раздельного определения оксида углерода и водорода. Недостатком устройства является высокое электрическое сопротивление чувствительного слоя, что затрудняет измерение сенсорного сигнала и значительно усложняет конструкцию.Known sensor device for indicating CO, in which tin oxide with finely dispersed platinum is used as the material of the sensing element, additives of silicates such as feldspars and bentonite are used to create the optimal porous structure of the active layer [3]. The advantage of the device is the possibility of separate determination of carbon monoxide and hydrogen. The disadvantage of this device is the high electrical resistance of the sensitive layer, which complicates the measurement of the sensor signal and significantly complicates the design.

Известен способ сенсорного анализа газовой смеси, содержащей газы-восстановители (CO и H2) и O2. В качестве катализаторов для повышения чувствительности газочувствительного слоя на основе диоксида олова к CO и H2 используется RuCl3 и PtCl2. В способе показано, что оптимальные концентрации RuCl3 и PtCl2 в SnO2 для обнаружения CO и H2 составляют 1-5 мол.%. Ru и Pt, которые вводились в матрицу методом пропитки диоксида олова хлоридами этих элементов. Полученные пленки на основе данных веществ могут быть использованы в температурном интервале 200-350°C [4].A known method of sensory analysis of a gas mixture containing reducing gases (CO and H 2 ) and O 2 . As catalysts for increasing the sensitivity of the gas-sensitive layer based on tin dioxide to CO and H 2 , RuCl 3 and PtCl 2 are used . The method shows that the optimal concentrations of RuCl 3 and PtCl 2 in SnO 2 for the detection of CO and H 2 are 1-5 mol.%. Ru and Pt, which were introduced into the matrix by impregnation of tin dioxide with chlorides of these elements. The resulting films based on these substances can be used in the temperature range 200-350 ° C [4].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ изготовления чувствительного элемента газового сенсора по тонкопленочной технологии [5]. Он заключается в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов (диэлектрическая подложка, контактные площадки из платины с одной стороны подложки, нагревателя с другой стороны), в которой формируют газочувствительный слой (пленка диоксида олова толщиной 50 и 100 нм с содержанием примеси сурьмы 1.5 ат. %). В качестве подложки используют пластины поликора толщиной 150 мкм. Контакты к слоям диоксида олова и нагреватель на обратной стороне формируют напылением платины с последующей фотолитографической гравировкой до нанесения пленок диоксида олова (SnO2). Сверхтонкие слои каталитической платины получают катодным напылением. Готовые образцы подвергают стабилизирующему отжигу на воздухе при 400°C в течение 24 часов. Недостатком такого способа является недостаточно высокая чувствительность к различным восстановительным газам (например, парам этилового спирта).Closest to the technical nature of the proposed solution is a method of manufacturing a sensitive element of a gas sensor using thin-film technology [5]. It consists in the fact that they form a heterostructure of various materials (dielectric substrate, platinum contact pads on one side of the substrate, a heater on the other side), in which a gas-sensitive layer is formed (a tin dioxide film 50 and 100 nm thick with an antimony content of 1.5 at .%). As a substrate, polycor plates with a thickness of 150 μm are used. The contacts to the tin dioxide layers and the heater on the reverse side are formed by sputtering platinum followed by photolithographic engraving prior to the deposition of tin dioxide (SnO 2 ) films. Ultrathin layers of catalytic platinum are obtained by cathodic deposition. Finished samples are subjected to stabilizing annealing in air at 400 ° C for 24 hours. The disadvantage of this method is not sufficiently high sensitivity to various reducing gases (for example, ethyl alcohol vapors).

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности газового сенсора.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the gas sensor.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления газового сенсора с наноструктурой, заключающемся в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе датчика, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников, в соответствии с предлагаемым изобретением газочувствительный слой формируют в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, золь приготавливают в два этапа, на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, затем на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323, соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут, причем золь ортокремниевой кислоты наносят на подложку из кремния (Si) с помощью центрифуги с использованием дозатора при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин в течение 2 минут, а отжиг осуществляют при температуре 600°C в течение 30 минут в воздушной среде.This is achieved by the fact that in the known method of manufacturing a gas sensor with a nanostructure, which consists in forming a heterostructure of various materials in which a gas-sensitive layer is formed, after which it is fixed in the sensor housing, and the contact pads are connected to the housing leads using contact conductors in accordance with the invention gas-sensitive layer is formed as a thin filamentary nanostructures (SiO 2) 20% (SnO 2) 80%, where 20% - mass proportion of SiO 2 and 80% - mass fraction of SnO 2 component put m of applying an orthosilicic acid sol containing tin hydroxide onto a silicon substrate, on the surface of which a region of 1 μm wide, 200 nm deep is formed by local anodic oxidation using a centrifuge and subsequent annealing, the sol is prepared in two stages, tetraethoxysilane is mixed in the first stage (TEOS) and ethyl alcohol (95%) in a ratio of 1: 1.046 at room temperature and the mixture was kept for up to 30 minutes, then at the second stage distilled water in a ratio of 1: 0.323, hydrochloric acid (HCl) was introduced into the resulting solution ootnoshenii 1: 0.05, stannous chloride dihydrate (SnCl 2 · 2H 2 O) in a ratio of 1: 0.399, wherein the amount received per unit of TEOS and stirred for at least 60 minutes, the orthosilicic acid sol is applied on a substrate of silicon (Si) using a centrifuge using a dispenser at a centrifuge speed of 3000 rpm for 2 minutes, and annealing is carried out at a temperature of 600 ° C for 30 minutes in air.

При этом в газовом сенсоре с наноструктурой, изготовленной по предлагаемому способу, содержащем корпус, установленную в нем гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, образованную на подложке из полупроводника, газочувствительный слой и контактные площадки к нему, сформированные в гетерогенной структуре, выводы корпуса и контактные проводники, соединяющие контактные площадки с выводами корпуса, в соответствии с предлагаемым изобретением газочувствительный слой изготовлен в виде тонкой нитевидной наноструктуры на основе золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложке из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, золь приготовлен в два этапа, на первом этапе смешивался тетраэтоксисилан и этиловый спирт, а на втором этапе в полученный раствор вводились дистиллированная вода, соляная кислота (HCl) и двухводный хлорид олова (SnCl2·H2O), причем тетраэтоксисилан и этиловый спирт в соотношении 1:1,046, дистиллированная вода в соотношении 1:0,323, соляная кислота (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:1,597.Moreover, in a gas sensor with a nanostructure manufactured by the proposed method, comprising a housing, a heterogeneous structure made of thin films of materials formed thereon, formed on a semiconductor substrate, a gas-sensitive layer and contact pads formed in a heterogeneous structure, case leads and contact conductors connecting the pads with the findings of the housing, in accordance with the invention, the gas-sensitive layer is made in the form of a thin filiform nanostructure based on I of orthosilicic acid containing tin hydroxide on a silicon substrate on the surface of which a region of 1 μm wide, 200 nm deep was formed by local anodic oxidation using a centrifuge and subsequent annealing, the sol was prepared in two stages, tetraethoxysilane and ethyl were mixed in the first stage alcohol, and in a second step the resulting solution was administered distilled water, hydrochloric acid (HCl) and stannous chloride dihydrate (SnCl 2 · H 2 O), wherein tetraethoxysilane and ethyl alcohol in a ratio of 1: 1,046, with distilled water elations 1: 0.323, hydrochloric acid (HCl) in a ratio of 1: 0.05, stannous chloride dihydrate (SnCl 2 · 2H 2 O) in a ratio of 1: 1,597.

На фиг.1 показана конструкция газового сенсора, который изготавливается по предлагаемым способам. Газовый сенсор содержит корпус 1 (фиг.1), гетерогенную структуру 2 (из тонких пленок материалов), в которой сформирован газочувствительный слой 3 (тонкая нитевидная наноструктура), контактные площадки 4, контактные проводники 5, выводы корпуса 6, штуцер 7, изоляторы 8, подложку 9 (из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм).Figure 1 shows the design of a gas sensor, which is manufactured by the proposed methods. The gas sensor contains a housing 1 (Fig. 1), a heterogeneous structure 2 (from thin films of materials) in which a gas-sensitive layer 3 (thin filamentous nanostructure) is formed, contact pads 4, contact conductors 5, conclusions of the housing 6, fitting 7, insulators 8 substrate 9 (made of silicon, on the surface of which a region of a width of 1 μm and a depth of 200 nm was formed by local anodic oxidation).

Согласно предлагаемому способу золь ортокремниевой кислоты, содержащий гидроксид олова, приготавливают в два этапа для нанесения на подложку 9 из кремния (фиг.1). На первом этапе смешивают тетраэтоксисилан и этиловый спирт, смесь выдерживают до 30 минут перед переходом ко второму этапу. Время выдержки установлено, исходя из времени протекания реакции обменного взаимодействия между тетраэтоксисиланом и этиловым спиртом, в результате которой образуется этиловый эфир ортокремневой кислоты. На втором этапе после введения дистиллированной воды, соляной кислоты (HCl) и двухводного хлорида олова (SnCl2·2H2O) смесь перемешивают не менее 60 минут. Время процесса установлено, исходя из времени протекания реакции гидролиза эфира, в результате которой образуется ортокремневая кислота. А также исходя из того, что за это же время на этом этапе происходит образование гидроксида олова (Sn(OH)2) и протекает реакция поликонденсации ортокремневой кислоты.According to the proposed method, the sol of orthosilicic acid containing tin hydroxide is prepared in two stages for applying to the substrate 9 of silicon (figure 1). At the first stage, tetraethoxysilane and ethyl alcohol are mixed, the mixture is kept for up to 30 minutes before proceeding to the second stage. The exposure time was established based on the time of the reaction of the exchange interaction between tetraethoxysilane and ethyl alcohol, as a result of which ethyl ether of orthosilicic acid is formed. In the second stage, after the introduction of distilled water, hydrochloric acid (HCl) and tin chloride (SnCl 2 · 2H 2 O), the mixture is stirred for at least 60 minutes. The process time was established based on the time of the reaction of hydrolysis of the ether, as a result of which orthosilicic acid is formed. And also based on the fact that during this time tin hydroxide (Sn (OH) 2 ) is formed at this stage and the polycondensation reaction of orthosilicic acid proceeds.

Золь ортокремневой кислоты, содержащий гидрооксид олова, наносят на подложку 9 (фиг.1) из кремния (Si), на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм с помощью центрифуги с использованием дозатора при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин в течение 2 минут. Использование таких режимов центрифуги позволяет достичь равномерного распределения золя, а также частично удалить растворитель из этой пленки.A sol of orthosilicic acid containing tin hydroxide is deposited on a substrate 9 (Fig. 1) made of silicon (Si), on the surface of which a region of a width of 1 μm and a depth of 200 nm is formed by local anodic oxidation using a centrifuge using a dispenser with a centrifuge speed of 3000 rpm for 2 minutes. The use of such centrifuge modes allows to achieve uniform distribution of the sol, as well as partially remove the solvent from this film.

В качестве подложки из кремния (Si) могут быть использованы пластины кремния КЭФ (111) толщиной 200-300 мкм, окисленные промышленным способом в кислороде, имеющие окисный слой SiO2, толщина которого около 800 нм. На поверхности подложки методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, в котором происходит образование газочувствительного слоя в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2. На фиг.2 представлена морфология поверхности газочувствительного слоя 3, полученная с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ), при массовой доле диоксида олова (SnO2) - 80% (фиг.2а - увеличение в 5000 раз, фиг.2б - увеличение в 300000 раз).As a substrate of silicon (Si), KEF (111) silicon wafers with a thickness of 200-300 μm, industrially oxidized in oxygen, having an SiO 2 oxide layer with a thickness of about 800 nm can be used. A region with a width of 1 μm and a depth of 200 nm is formed on the surface of the substrate by the method of local anodic oxidation, in which a gas-sensitive layer is formed in the form of a thin whisker nanostructure (SiO 2 ) of 20% (SnO 2 ) 80% , where 20% is the mass fraction of SiO 2 , and 80% is the mass fraction of the SnO 2 component. Figure 2 shows the surface morphology of the gas-sensitive layer 3 obtained by scanning electron microscopy (SEM), with a mass fraction of tin dioxide (SnO 2 ) of 80% (Fig. 2a - an increase of 5,000 times, Fig. 2b - an increase of 300,000 time).

Отжиг осуществляют при температуре 600°C в течение 30 минут в воздушной среде. Использование таких параметров процесса позволяет окончательно удалить растворитель из пор на поверхности и в объеме пленки, а также осуществить реакции по разложению ортокремневой кислоты (Si(OH)4) до диоксида кремния (SiO2) и гидроксида олова (Sn(OH)4) до диоксида олова (SnO2). Контактных площадок 4 к газочувствительному слою из Ag сформированы путем вжигания при температуре 600°C.Annealing is carried out at a temperature of 600 ° C for 30 minutes in air. The use of such process parameters allows the final removal of solvent from pores on the surface and in the bulk of the film, as well as the decomposition of orthosilicic acid (Si (OH) 4 ) to silicon dioxide (SiO 2 ) and tin hydroxide (Sn (OH) 4 ) to tin dioxide (SnO 2 ). The contact pads 4 to the gas sensitive layer of Ag are formed by annealing at a temperature of 600 ° C.

Газовый сенсор работает следующим образом. Газочувствительный слой 3 при помощи выводов корпуса 6 включают в мостовую измерительную цепь (мост) в качестве одного из ее плеч, с помощью подстроечного резистора (не показан), мост балансируют (показания измерительного прибора устанавливают на нуль в условиях отсутствия газа). Взаимодействие газа с газочувствительным слоем приводит к изменению его электропроводности в ходе происходящих на поверхности химических превращений, например взаимодействия детектируемого газа с хемосорбированным кислородом. Так как газочувствительный слой 3 включают в мостовую измерительную цепь, то с изменением концентрации газа происходит ее разбаланс, который является функцией концентрации.The gas sensor operates as follows. The gas-sensitive layer 3 using the conclusions of the housing 6 is included in the bridge measuring circuit (bridge) as one of its shoulders, using a trimming resistor (not shown), the bridge is balanced (the readings of the measuring device are set to zero in the absence of gas). The interaction of a gas with a gas-sensitive layer leads to a change in its electrical conductivity during chemical transformations occurring on the surface, for example, the interaction of a detected gas with chemisorbed oxygen. Since the gas-sensitive layer 3 is included in the bridge measuring circuit, then with a change in the gas concentration, its imbalance occurs, which is a function of concentration.

На фиг.3 представлены зависимости сигнала сенсора (5) газочувствительного слоя 3 от концентрации детектируемого газа - паров этанола (с): кривая 1 - газочувствительный слой в виде сплошной пленки SnO2, кривая 2 - газочувствительного слоя в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2. Видно, что при наличии тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80% (кривая 2) сенсорный сигнал при той же концентрации газа значительно больше, чем при ее отсутствии (кривая 1). Тонкая нитевидная наноструктура (SiO2)20%(SnO2)80%, полученная в рамках золь-гель технологии, является перкаляционной структурой. Данная структура обладает максимальной чувствительностью ввиду следующего обстоятельства. При нахождении структуры на воздухе хемосорбированный кислород создает обедненный слой около перемычек зерен, следовательно, такая структура имеет высокое сопротивление (R). При воздействии газов восстановителей (паров этанола) на тонкую нитевидную наноструктуру (SiO2)20%(SnO2)80% в течение определенного времени (t) происходят различные химические реакции, в том числе связывание хемосорбированного кислорода. При этом обеднение исчезает и сопротивление (R) значительно уменьшается (фиг.4). Газочувствительный слой в виде сплошной пленки SnO2, имеет структуру, соответствующую спинодальному распаду. Такая структура значительно менее чувствительна к газам, чем перколяционная структура.Figure 3 shows the dependence of the sensor signal (5) of the gas-sensitive layer 3 on the concentration of the detected gas — ethanol vapor (s): curve 1 — gas-sensitive layer in the form of a continuous SnO 2 film, curve 2 — gas-sensitive layer in the form of a thin filamentous nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , where 20% is the mass fraction of SiO 2 , and 80% is the mass fraction of the SnO 2 component. It is seen that in the presence of a thin whisker nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% (curve 2), the sensor signal at the same gas concentration is much larger than in the absence of it (curve 1). The thin filamentous nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , obtained in the framework of the sol-gel technology, is a percalation structure. This structure has maximum sensitivity due to the following circumstance. When a structure is found in air, chemisorbed oxygen creates a depleted layer near the bulkheads of the grains; therefore, such a structure has a high resistance (R). Under the influence of reducing gases (ethanol vapor) on a thin whisker nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , various chemical reactions occur during a certain time (t), including the binding of chemisorbed oxygen. When this depletion disappears and the resistance (R) is significantly reduced (figure 4). The gas-sensitive layer in the form of a continuous SnO 2 film has a structure corresponding to spinodal decomposition. Such a structure is much less sensitive to gases than the percolation structure.

Благодаря отличительным признакам изобретения повышается чувствительность газового сенсора.Thanks to the distinguishing features of the invention, the sensitivity of the gas sensor is increased.

В результате испытаний экспериментальных образцов газовых сенсоров, изготовленных в соответствии с формулой изобретения, установлено, что значительно повышается чувствительность газовых сенсоров.As a result of tests of experimental samples of gas sensors made in accordance with the claims, it was found that the sensitivity of gas sensors is significantly increased.

Предлагаемый способ изготовления газового сенсора с наноструктурой и газовый сенсор на его основе выгодно отличаются от известных и могут найти широкое применение при изготовлении газовых сенсоров.The proposed method of manufacturing a gas sensor with a nanostructure and a gas sensor based on it compares favorably with the known ones and can find wide application in the manufacture of gas sensors.

Источники информацииInformation sources

1. U.S. Pat. №4614669, 30.09.1986.1. U.S. Pat. No. 4614669, 09/30/1986.

2. Патент США 4792433, МКИ G01N 20/16, 1988.2. US patent 4792433, MKI G01N 20/16, 1988.

3. Патент Великобритании 2249179, МКИ G01N 27/12, 1992.3. UK patent 2249179, MKI G01N 27/12, 1992.

4. U.S. Pat. №4397888, 09.08.1983.4. U.S. Pat. No. 4397888, 08/09/1983.

5. Анисимов О.В., Максимова Н.К., Филонов Н.Г. Особенности отклика тонких пленок Pt/SnO2:Sb на воздействие CO // Журнал физической химии, 2004 - Т.78. - №10. - С.1907-1912.5. Anisimov O. V., Maksimova N. K., Filonov N. G. Features of the response of thin Pt / SnO2: Sb films to CO exposure // Journal of Physical Chemistry, 2004 - T.78. - No. 10. - S. 1907-1912.

Claims (2)

1. Способ изготовления газового сенсора с наноструктурой, заключающийся в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников, отличающийся тем, что газочувствительный слой формируют в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, золь приготавливают в два этапа, на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, затем на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323, соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут.1. A method of manufacturing a gas sensor with a nanostructure, which consists in the fact that they form a heterostructure of various materials, which form a gas-sensitive layer, after which it is fixed in the sensor housing, and the contact pads are connected to the leads of the housing using contact conductors, characterized in that gas-sensitive layer is formed as a thin filamentary nanostructures (SiO 2) 20% (SnO 2) 80%, where 20% - mass proportion of SiO 2 and 80% - mass fraction of SnO 2 component, by applying a sol orthosilicic acid comprising guide tin oxide, on a silicon substrate, on the surface of which a region of 1 μm wide, 200 nm deep is formed by local anodic oxidation using a centrifuge and subsequent annealing, the sol is prepared in two stages, at the first stage tetraethoxysilane (TEOS) and ethyl alcohol are mixed ( 95%) in a ratio of 1: 1.046 at room temperature and the mixture is kept for up to 30 minutes, then, at the second stage, distilled water in a ratio of 1: 0.323, hydrochloric acid (HCl) in a ratio of 1: 0.05, and two-water tin chloride are added to the resulting solution (SnCl 2 · 2H 2 O) in the aspect ratio shenii 1: 0,399, which passed per unit volume of TEOS and stirred for at least 60 minutes. 2. Газовый сенсор с наноструктурой, изготовленный по п.1, содержащий корпус, установленную в нем гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, образованную на подложке из полупроводника, газочувствительный слой и контактные площадки к нему, сформированные в гетерогенной структуре, выводы корпуса и контактные проводники, соединяющие контактные площадки с выводами корпуса, газочувствительный слой изготовлен в виде тонкой нитевидной наноструктуры на основе золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложке из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, который приготовлен в два этапа, на первом этапе смешивался тетраэтоксисилан и этиловый спирт, а на втором этапе в полученный раствор вводились дистиллированная вода, соляная кислота (HCl) и двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O), причем тетраэтоксисилан и этиловый спирт в соотношении 1:1,046, дистиллированная вода в соотношении 1:0,323, соляная кислота (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:1,597. 2. A gas sensor with a nanostructure made according to claim 1, comprising a housing, a heterogeneous structure made of thin films of materials formed on it, formed on a semiconductor substrate, a gas-sensitive layer and contact pads formed in a heterogeneous structure, body leads and contact conductors connecting the contact pads with the leads of the case, the gas-sensitive layer is made in the form of a thin whisker nanostructure based on the sol of orthosilicic acid containing tin hydroxide on a substrate of cre an opinion on the surface of which a region 1 μm wide and 200 nm deep was formed by local anodic oxidation using a centrifuge and subsequent annealing, which was prepared in two stages, tetraethoxysilane and ethyl alcohol were mixed in the first stage, and distilled distilled into the resulting solution water, hydrochloric acid (HCl) and two-water tin chloride (SnCl 2 · 2H 2 O), with tetraethoxysilane and ethyl alcohol in a ratio of 1: 1,046, distilled water in a ratio of 1: 0,323, hydrochloric acid (HCl) in a ratio of 1: 0, 05, two-water chlorine tin (SnCl 2 · 2H 2 O) in a ratio of 1: 1,597.
RU2013133184/04A 2013-07-16 2013-07-16 Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis RU2532428C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013133184/04A RU2532428C1 (en) 2013-07-16 2013-07-16 Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013133184/04A RU2532428C1 (en) 2013-07-16 2013-07-16 Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2532428C1 true RU2532428C1 (en) 2014-11-10

Family

ID=53382352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013133184/04A RU2532428C1 (en) 2013-07-16 2013-07-16 Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2532428C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2626741C1 (en) * 2016-04-29 2017-07-31 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method of producing gas multisensor of conductometric type based on tin oxide
EA032236B1 (en) * 2016-11-21 2019-04-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method of producing gas multisensor of conductometric type based on tin oxide
RU2687869C1 (en) * 2018-10-09 2019-05-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon
RU192938U1 (en) * 2019-06-28 2019-10-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) GAS SENSOR
RU196427U1 (en) * 2019-12-20 2020-02-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) CERAMIC HOUSING FOR GAS-SENSITIVE SEMICONDUCTOR SENSOR
CN114166899A (en) * 2021-11-24 2022-03-11 上海大学 Formaldehyde MEMS gas sensor based on PdRh loaded SnO2 multi-shell structure and preparation method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4792433A (en) * 1982-08-27 1988-12-20 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha CO gas detecting device and circuit for driving the same
GB2249179A (en) * 1990-07-25 1992-04-29 Capteur Sensors & Analysers Tin oxide gas sensors
RU2310833C1 (en) * 2006-09-05 2007-11-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Method for preparing gas-sensitive material for ammonia sensor
US20090188695A1 (en) * 2004-04-20 2009-07-30 Koninklijke Phillips Electronics N.V. Nanostructures and method for making such nanostructures
RU2008142447A (en) * 2008-10-28 2010-05-10 Государственное учебно-научное учреждение химический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (RU) METHOD FOR PREPARING GAS SENSOR MATERIAL BASED ON TIN DIOXIDE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4792433A (en) * 1982-08-27 1988-12-20 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha CO gas detecting device and circuit for driving the same
GB2249179A (en) * 1990-07-25 1992-04-29 Capteur Sensors & Analysers Tin oxide gas sensors
US20090188695A1 (en) * 2004-04-20 2009-07-30 Koninklijke Phillips Electronics N.V. Nanostructures and method for making such nanostructures
RU2310833C1 (en) * 2006-09-05 2007-11-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Method for preparing gas-sensitive material for ammonia sensor
RU2008142447A (en) * 2008-10-28 2010-05-10 Государственное учебно-научное учреждение химический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (RU) METHOD FOR PREPARING GAS SENSOR MATERIAL BASED ON TIN DIOXIDE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Анисимов О.В. и др. Особенности отклика тонких плёнок Pt/SnO 2 :Sb на воздействие СО. Журнал физической химии, 2004, т.78, N10, с.1907-1912. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2626741C1 (en) * 2016-04-29 2017-07-31 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method of producing gas multisensor of conductometric type based on tin oxide
EA032236B1 (en) * 2016-11-21 2019-04-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method of producing gas multisensor of conductometric type based on tin oxide
RU2687869C1 (en) * 2018-10-09 2019-05-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon
RU192938U1 (en) * 2019-06-28 2019-10-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) GAS SENSOR
RU196427U1 (en) * 2019-12-20 2020-02-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) CERAMIC HOUSING FOR GAS-SENSITIVE SEMICONDUCTOR SENSOR
CN114166899A (en) * 2021-11-24 2022-03-11 上海大学 Formaldehyde MEMS gas sensor based on PdRh loaded SnO2 multi-shell structure and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2532428C1 (en) Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis
Quaranta et al. A novel gas sensor based on SnO2/Os thin film for the detection of methane at low temperature
EP1693667B1 (en) Gas sensor
EP3786627B1 (en) Mems type semiconductor gas detection element
JP5255066B2 (en) Gas sensor with improved selectivity
RU2464554C1 (en) Gas sensor for detecting nitrogen and carbon oxides
JPWO2009130884A1 (en) Gas sensor
Fedorenko et al. Oxide nanomaterials based on SnO2 for semiconductor hydrogen sensors
KR101493544B1 (en) Sensor apparatus and method therefor
JP6128598B2 (en) Metal oxide semiconductor gas sensor
JP4010738B2 (en) Gas sensor, gas detector and gas detection method
RU2641017C1 (en) Method of manufacturing multi-electrode gas-analytical chip based on titanium dioxide nanotube membranes
RU2403563C1 (en) Differential sensor for gas analyser
JP4315992B2 (en) Gas sensor, gas detector and gas detection method
JPH07260728A (en) Carbon monoxide gas sensor
KR101133820B1 (en) Electrochemical sensor
KR102493590B1 (en) Acetylene detecting sensor and method for manufacturing the same and acetylene detecting system comprising the same
JP2008309556A (en) Gas sensor
JP4382245B2 (en) Gas sensor and gas detector
JP5246868B2 (en) Volatile organic substance detection sensor
RU91763U1 (en) DIFFERENTIAL GAS SENSOR
KR102771542B1 (en) Gasistor Capable of Low Concentration NOx Gas Sensing
Hetznecker et al. Enhanced studies on the mechanism of gas selectivity and electronic interactions of SnO2/Na+-ionic conductors
RU2753185C1 (en) Gas detector based on aminated graphene and method for its manufacture
WO2013089652A1 (en) Method of plasma charge treatment of the gas sensitive layer of a gas sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150717