CC BY
6Водородная энергетика и транспорт
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ СЕНСОР ВОДОРОДА
А. 3. Адамян, 3. Н. Адамян, В. М. Арутюнян, А. О. Аракелян
Ереванский государственный университет ул. Алека Манукяна 1, Ереван, 375025, Республика Армения Факс: (37410) 555590; e-mail: zad@ysu.am
Нанокристаллические полупроводниковые оксидные газовые сенсоры проявляют высокую чувствительность при сравнительно высоких температурах подогрева рабочего тела сенсора (200350 °С и более). Во многих применениях это является сдерживающим фактором, так как при этих рабочих температурах ускоряются деграда-ционные процессы, связанные с ростом размеров нанокристаллитов, что приводит к ухудшению стабильности параметров сенсоров со временем. К тому же из-за высокой потребляемой мощности затрудняется использование сенсоров в автономном режиме.
В настоящей работе представлены результаты исследований тонкопленочных сенсоров водорода, проявляющих высокую чувствительность при низких рабочих температурах.
Сенсоры водорода были изготовлены на основе разработанной нами золь-гель технологии, обеспечивающей высокую термостабильность нанокристаллических зерен пленок. Напыленный на такую пленку тонкий каталитический слой платины позволяет достичь высокой чувствительности и быстродействия сенсоров уже при низких температурах, начиная с 50 °С.
Характеристики сенсоров водорода исследовались с помощью разработанной нами специальной установки с программным управлением. Установка позволяет регистрировать как изменения сопротивления сенсоров и других параметров, происходящие в результате быстропро-текающих процессов (менее секунды), так и длинновременные изменения сопротивления сенсоров, связанные с деградацией параметров во времени или после их длительной эксплуатации. Программа также дает возможность изменения состава, температуры и давления газовой среды, в которой происходит измерение параметров сенсоров, регулирования температуры поверхности исследуемых образцов.
Исследования газочувствительных характеристик сенсоров при разных температурах чув-
ствительной поверхности выявили, что макси- ^ мальная чувствительность регистрируется при 1
а
100-130 °С. Измерения проводились в диапазо- & не температур от комнатной до 350 °С и кон- § центрациях водорода в воздухе от 50 до 5000 0 ррт. Как видно из рисунка, зависимость газочувствительности сенсора (работающего при выявленной оптимальной рабочей температуре 125 °С) от концентрации водорода, построенная в двойном логарифмическом масштабе, линейна. Чувствительность же к водороду достигает 104 при концентрации водорода 5000 ррт.
100000 Т................................................р...................................................... ............................................
1 ^——.......——.......——.......
10 100 1000 10000 Концентрация, ррт
Зависимость чувствительности сенсоров от концентрации водорода в воздухе
В результате ступенчатого изменения концентрации водорода в измерительной камере были определены времена отклика и восстановления. Время изменения сопротивления сенсора при подаче водорода с разными концентрация- « ми до уровня 0,7 от полного отклика составля- <с ет 1-2 с, а время восстановления 10-12 с.
Рассматривалось влияние влажности и чув- ^ ствительности сенсоров к сопутствующим вос- >| станавливающим газам (СО). Выявлены пути ^ повышения селективности сенсоров за счет вы- | бора соответствующих режимов эксплуатации. £
I X
п: I
«.с с с
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006)
Газоаналитические системы и сенсоры водорода
LOW-TEMPERATURE HIGH SENSITIVE THIN-FILM HYDROGEN SENSOR
A. Z. Adamyan, Z. N. Adamyan, V. M. Aroutiounian, A. O. Arakelyan
Yerevan State University Alex Manoogian str. 1, Yerevan, 375025, Republic of Armenia Fax: (37410)555590; e-mail: zad@ysu.am
a
Nanocrystalline semiconductor oxide gas sen-1 sors exhibit high sensitivity at relatively high heat-3 ing temperatures of the sensor's working substance g (200-350 °C, and higher). This is constraint in q the many applications since at these operating temperatures degradation processes connected with the nanocrystallites size growth are accelerated. This leads to worsening of the performances stability in time. Besides, the using of the sensors in the battery powered applications becomes difficult because of high power consumption.
The results of investigations of the thin-film hydrogen sensors showing the high sensitivity at the low temperatures are presented in this work.
The hydrogen sensors were prepared on the base of developed by us sol-gel technology, ensuring high thermal stability of the nanocrystalline grains of the films. Thin catalytic Pt layer deposited on such film allows to achieve high sensitivity and response speed at low operating temperatures beginning from 50 °C.
The hydrogen sensors characteristics were studied by means of developed by us special-purpose setup with software control. The setup allows to record the sensor's resistance and other parameters changes taking place both as a result of fast processes (less than second) and long-term changes of the sensors resistivity connected with degradation of the performances over a long period of time or after their long-term operation activity. The software make it possible also to change the composition, temperature and pressure of the gas medium, where the measurement of the sensors parameters take place, as well as temperature con» trol of the studied test specimens surface. ^ Investigations of the sensors gas sensitive per* formances at different temperatures of the senses ing surface were revealed that the maximal sensitivity appears at 100-130 °C. The measurements
a с
т
Л
КС
с с
е
were carried out beginning from room temperatures up to 350 °C and at 50-5000 ppm hydrogen concentration in air. As can be seen from Fig. 1, dependence of the gas sensitivity of the sensor functioned at 125 °C (at revealed optimal operation temperature) on hydrogen concentration plotted in log-log scale is linear. The sensitivity to hydrogen gas reaches up to 104 at 5000 ppm hydrogen concentration.
100000
1 -I-—........—........—........
10 100 1000 10000 Gas concentration, ppm Fig. 1. Dependence of sensors sensitivity versus of hydrogen concentration in air
As a result of stepwise change of hydrogen concentration within measurement chamber, the response and recovery times were determined. The time at which resistance of the sensor changes at admission of hydrogen with different concentrations up to 0.7 levels relative to fully response is 1-2 s, but recovery times at that amount to 10-12 s.
The influence of humidity and cross sensitivity to other reducing gases (CO) is considered. The ways for improvement of the sensors selectivity owing to choice of corresponding operation regimes are revealed.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №6(38) (2006) 27
