CC BY
47
№ 8 (29), 2016 г.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИНКА И КОБАЛЬТА К ВОЗДЕЙСТВИЮ МЕТАНА
Абдурахманов Илхом Эргашбоевич
соискатель кафедры аналитической химии Самаркандского государственного университета,
140104, Узбекистан, г. Самарканд, Университетский бульвар, 15
E-mail: [email protected]
Кабулов Бахадир Джаббарович
д-р хим. наук, проф., зав. лаборатории Государственное унитарное предприятие «Фан ва таращиёт». Ташкентский технический университет, 100095, Узбекистан, г. Ташкент, Алмазарский район. ул. Университетская, 2
E-mail: [email protected]
SUSCEPTIBILITY OF THE SEMI-CONDUCTING SENSOR BASED ON ZINK OXIDE
AND COBALT TO METHANE IMPACT
Ilkhom Abdurakhmanov
degree-Seeking Student of Analytical Chemistry Chair, Samarkand State University, 140104, Uzbekistan, Samarkand, Universitetsky Boulevard Street, 15
Bahadir Kabulov
doctor of Chemistry, Professor, Head of Laboratory, State Unitary Enterprise "Fan va taraK;^t",
Tashkent Technical University, 100095, Uzbekistan, Tashkent, Almazarsky District, Universitetskaya Street, 2
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. % СоО. После нанесения пленок на подложку проводилась термообработка в атмосфере кислорода.
Добавленние к газочувствительной материал на основе SiO2/ZnO в количестве 1 % СоО 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 gassensitive material of CoO is investigated. To obtain composite gas sensitive material, doping is produced at stage of solgel 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.
Ключевые слова: метан; сенсор; полупроводник; газочувствительный материал; оксид кобальта; оксид цинка; оксид кремния; сигнал сенсора.
Keywords: methane; sensor; semiconductor; gas-sensitive material; cobalt oxide; zinc oxide; silicon oxide; signal of the sensor.
Библиографическое описание: 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: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/3562
7un iversurn,com
UNIVERSUM:
V ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Интерес к сенсорам метана, несомненно, вызван их широким применением в экологии, химической, газовой, нефтехимической промышленности и технике безопасности [1, с. 9; 2, с. 50].
Свойство газочувствительности в полупроводниковых материалах проявляется в изменении сопротивления (Я) или электрической проводимости (с) 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 (2пО), является основным по массе, а другой (СоО), 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. % СоО, 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 2пО легированной СоО в процессе определения метана приведена в таблице 1.
Таблица 1.
Результаты исследования чувствительности пленок на основе SiO2/ZnO-CoO в процессе определения
метана (п=5, P=0,95)
№ Состав ГЧМ Содерж. метана в Сигнал сенсора, 1Ж кОм-1
смеси, мг/м3 х+Ах 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 % СоО обеспечивает повышение его чувствительности к метану. Добавленние к ГЧМ на основе 8Ю2/2пО в количестве 1 % СоО 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 градуировоч-
ной характеристики на основе отношения сопротивлений Квозд/Дгаз 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.
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, Ас/свозд
1 8Ю2/гпО 0,01 0,02 0,04 0,07 0,10 0,12 0,15 0,17 0,18
2 8Ю2/гпО-1 %СоО 0,01 0,06 0,12 0,27 0,41 0,53 0,65 0,76 1,03
3 8Ю2/гпО-5 %СоО 0,02 0,23 0,44 0,81 1,15 1,52 1,87 2,24 2,79
4 8Ю2/гпО-Ю %СоО. 0,04 0,53 0,86 1,53 2,19 2,85 3,54 4,24 5,32
В экспериментах в широком интервале концен- ГЧМ. Для сравнения была получена нелегированная трации метана исследована зависимость сигнала сен- силикатная пленка (8Ю2/2пО). При этом было уста-сора от содержания легирующей примеси (СоО) в новлено, что сенсоры газов на основе пленок состава
№ S (29), 2016 г.
8Ю2/2пО-СоО проявляют высокую чувствительность к метану. В таблице 2 представлена зависимость сигнала сенсора от концентрации метана при температуре 375оС.
Из приведенного данных в таблице 2 видно, что в диапазоне концентраций метана от 50 до 1000 мг/м3 зависимость Дс/свозд от концентрации метана в смеси имеет прямолинейный характер. Линейный характер зависимости Дс/свозд от концентрации метана позволил разработать несложную конструкцию измерителя концентрации метан.
В заключение следует отметить, что чувствительность пленки оксида кремния к метану повыша-
ется 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 Дс/свозд 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. P. 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, P. 50-52 (In Russian).
