CC BY
13
УДК 621.382.315, 541.64, 539.23
Чохань М.1., асистент©
Лье1еський нащональний утеерситет еетеринарног медицины та бютехнологт ¡мет С.З.Гжицького
РЕЗИСТИВН1 НАП1ВПРОВ1ДНИКОВ1 ТОНКОПЛ1ВКОВ1 СЕНСОРИ КОНТРОЛЮ СВ1ЖОСТ1 ХАРЧОВИХ ПРОДУКТ1В
Дослгджено фгзичт I технолог1чш еластиеост1 сенсорних плгеок на основI ряду натепроегдните. Показано перееаги гх еикористання е газоеих сенсорах се1жост1 харчоеих продуктге теаринного походження.
Ключовi слова: сенсор, натепроегдник, харчоег продукти, се1ж1сть
Вступ. Вступ Украши до СОТ вимагае надшного мотторингу якост харчових продукив, насамперед, свiжостi. Нашнформатившшими приладами для такого контролю можуть бути сенсори для виявлення г^в, яю видiляються при збер^ант продуктiв харчування.
Серед iснуючих сенсорiв найчутливiшими до газiв, що видшяються з харчових продуктiв в процес !х зберiгання, е оксиднi (на основi ZnO, SnO2, TiO2) та елементи на основi органiчних натвпровщниюв, зокрема, спряжених полiмерiв та молекулярних кристалiв [1 - 4]. Однак систематичних дослiджень !х властивостей i можливостi використання цих матерiалiв для контролю якост продуктiв харчування на сьогодшшнш день не проведено.
Матер1али 1 методи. Як чутливi матерiали сенсорiв вивчались тонкi плiвки ряду неоргашчних напiвпровiдникiв — оксиду цинку та дюксиду титану.
Методи дослщження — рентгенофазовий аналiз, який проводився на установщ ДРОН-2; термогравiметрiя з використанням дериватографа Q-1500D; оптична спектроскотя; електронна скануюча, оптична та атомно-силова мжроскошя, вимiрювання електроопору за чотирьохзондовим методом з використанням тераометра Е6-13А.
Результати дослщження. При дослщженш кристалiчноl структури плiвок оксиду цинку, отриманих на рiзних пiдкладках методом термовакуумного напилення, встановлено незначний вплив природи поверхнi на якiсть отриманих плiвок та ступiнь !х структурного упорядкування. Рентгенограми плiвок та !х порiвняння з еталонними параметрами свiдчать, що отримаш плiвки е полiкристалiчним оксидом цинку, незалежно вiд природи поверхш. Переважною кристалографiчною орiентацiею кристалiтiв е напрямок (002), тобто вздовж ос с, перпендикулярно! до поверхш плiвки. Подальшi дослiдження сенсорних властивостей показали, що оптимальними е плiвки ZnO конденсованi на поверхнi кварцу.
Оскшьки робота бiльшостi газових сенсорiв на основi оксидних матерiалiв передбачае змiну температури в широких межах, то нами були
© Чохань М.1. 2008
294
вивчеш температурш залежност електроопору дослщжуваних газочутливих плiвок. Як i слiд було очiкувати, питомий електроотр р сенсора на основi TiO2 в повiтряному середовищi, досягав величини порядку 1010 Омсм. З пщвищенням температури значення р зменшувалось за експоненцiйним законом:
р = р0 exp (-E/2kT), (1)
де р0 - передекспоненцшний множник, E - енерпя активаци транспорту заряду. Такий температурний хiд питомого електроопору пщтверджуе правомiрнiсть застосування для опису процеав перенесення заряду зонно! теорп. Лiнiйну кореляцiю мiж логарифмом питомого електроопору i оберненою температурою можна пояснити високим ступенем кристалiчностi дослщжуваних тонких плiвок, вiдсутнiстю вакансiй в кисневовмютимш кристалiчнiй гратцi i, як наслщок, малою iонною провiдностю
Значення питомого електроопору тонких плiвок дослщжуваних оргашчних напiвпровiдникiв виявились вищими шж для об'емних зразкiв i лежали в межах 6109.21012 Омсм. Показано, що з пiдвищенням температури питомий електроотр тонких плiвок Рп, СоРс, CoClPc i Met в iнтервалi 293.423 К зменшуеться за експоненцшним законом. Такий температурний хiд електроопору, як i для оксидних плiвок, пiдтверджуе правомiрнiсть застосування для опису процеав перенесення заряду зонно! теори.
В роботi вивчено температурну залежшсть питомого електроопору, а також термiчну стабiльнiсть плiвок дослiджуваних полiамiноаренiв в iнтервалi температур 273.773 K. Методом термогравiметрi! встановлено, що термiчне розкладання легованих полiмерiв починаеться при температурах 453.473 K в залежност вщ типу легуючого агента. Пiсля досягнення цих температур спостерiгаеться змiна знаку температурного коефщенту електроопору, що може бути пов'язано iз збiльшенням електроопору внаслщок дедопування полiмеру, i початку процесу термiчно! деструкци. Порiвняння даних температурно! залежностi електропровiдностi i термiчно! стабiльностi дозволяе припустити, що змша нахилу температурно! залежностi вiдповiдае початку термiчноl деструкци полiмеру. Отже, для технолопчного застосування таких матерiалiв слщ обирати iнтервал температур, який вщповщае лiнiйнiй залежностi до початку термiчного розкладання.
При дослiдженнi газочутливих властивостей сенсорiв на основi тонких плiвок ZnO вихiдними даними були: електроотр R0 = 10 Ом, напруга Е = 5 В, робоча температура 473 K. При подачi етилового спирту, вимiрювалась напруга на сенсорi URs. Електричний опiр сенсора розраховували за формулою:
Rs = Urs / I = R0 URS / UR0 = R0 URS / (E - URs) , (2)
а чутливiсть - за формулою S = R0 / RS , (3)
де R0 - електроопiр плiвки без газу, RS - електроопiр плiвки за наявностi парiв етилового спирту.
Пщ час проведення вимiрювань визнали час вiдгуку сенсора та час його вщновлення (табл.1). Як видно з представлених даних, час вщгуку отриманих сенсорiв лежить у дiапазонi 5.100 с, а час вщновлення - в дiапазонi 2.7 хв.,
295
причому час вщгуку е найкращим для ceHCopiB на 0CH0Bi легованих плiвок ZnO:Al, а найпрший - для CeHCopiB на 0CH0Bi нелегованих плiвок ZnO.
Таблиця 1
Параметри швидкодп сенсор1в на основ1 тонких плiвок ZnO_
Матepiал сенсора Тип поверхш Час вщгуку, с Час вщновлення, хв.
ZnO:Al Скло 20 4,5
ZnO:In Скло 30 4
ZnO:Al Кварц 5 2
ZnO:Al Кварц 20 5
ZnO Кварц 100 7
Отже, за результатами дослщжень властивостей сенсорiв на основi оксиду цинку, легованого алюмшем та iндieм, встановлено, що електроопiр чутливого елемента тд дieю етанолу зменшуеться з ростом тиску донорного газу, при цьому чутливють тонкоплiвкових сенсорiв суттево залежить вiд типу легуючих домiшок та природи поверхнi, на якiй осаджено плiвку ZnO. Домiшки А1 та 1п значно покращують чутливiсть тонкоплiвкових сенсорiв на основi ZnO, причому чутлившими виявились плiвки, осадженi на поверхш кварцу, що можна пояснити вищою досконалiстю 1х кристалiчноl структури.
Електроопiр тонких плiвок TiO2 е функщею вiдхилення вiд стехюметрп i суттево залежить вiд концентраци кисню. Це пояснюе високу ефективнiсть чутливих елементiв на його основi в сенсорах кисню. Плiвкове виконання таких чутливих елементiв забезпечуе високу швидкодш (10-2.10-3 с). Низька iнерцiйнiсть зумовлена малим часом дифузп iонiв кисню в тонкому шарi
чутливого елементу сенсора. Як видно iз рис. 1, електроотр чутливого шару суттево залежить вiд величини парщального тиску кисню. Проведенi дослщження
показали, що в дiапазонi температур 673.1023 К електроотр чутливого до кисню елементу на основi дюксиду титану зворотньо i стшко змiнюеться бiльше нiж на три порядки. Час вщгуку сенсора становить 50.70 мс. 1з пщвищенням температури час вiдгуку помiтно зменшуеться. Таким чином сенсор кисню на основi тонкоплiвкового шару TiO2 може забезпечити робочi характеристики не гiршi за характеристики вщомих сенсорiв на основi керамiки
R, Ом 109
7 _
10
105
103 -I
673 К 773 К 873 К 1023 К
Г3 I I I г -20 -15-10 -5 0
log P o2
Рис. 1. Залежшсть електроопору TiO2 -сенсора вщ паpцiальнoгo тиску кисню
296
Науковий вгсник ЛНУВМБТ 1мен1 С.З. Гжицького Том 10 № 3(38) Частина 3, 2008 Zr02.
Висновки
1. Вивчено Kp^Tani4Hy структуру i технолопчш властивостi сенсорних тонких плiвок на 0CH0Bi неоргaнiчних та оргaнiчних нашвпровщниюв.
2. Показано, що транспорт заряду в raiBKax дослiджувaних нaпiвпровiдникiв мае активацшну природу i добре описуеться в рамках зонно! моделi.
3. Встановлено, що сенсорш влaстивостi тонких плiвок на основi оксиду цинку до дп пaрiв етанолу суттево покращуються при легувaннi металами. Найвищу чутливiсть мають плiвки ZnO, отримаш на поверxнi кварцу i леговаш aлюмiнiем.
4. Виготовлено макет тонкоплiвкового сенсора кисню на основi дюксиду титану з покращеними фiзико-теxнологiчними показниками: чутливштю 3500 i часом реакци 50...70 мс. Теxнологiя виготовлення тонкоплiвкового сенсора забезпечуе можливостi автоматизацп процесу при його масовому випуску.
Лггература
1. Крaвцiв Р.Й., Чохань М.1., Цiж Б.Р., Аксiментьевa 0.1. Сенсори вiзуaльного контролю свiжостi продуктiв тваринництва у процес !х зберiгaння// Науковий Вкник. ЛНУВМ та БТ iм.С.З.Гжицького. - 2007. - Т.9, № 3(34), Ч.3.
- С. 216 - 219
2. Цдж Б.Р., Чохань М.1., Аксiментьевa 0.1 Чутливi елементи оптичних сенсорiв на основi пентацену для монiторингу якостi продукпв харчування// Науковий Вiсник ЛНУВМ та БТ iм. С.З Гжицького. - 2007. - Т.9, № 2(33), Ч.2.
- С.202-205.
3. Чохань М.1., Цдж Б.Р., Лазоренко В.Й., АкЫментьева О.1. Теxнологiчнi влaстивостi натвпровщникових сенсорiв для визначення вмiсту етанолу у харчових продуктах // Схщно-европейський журнал передових технологш. -2008. - № 6/4(30). - С.49-51.
4. Konopelnik O.I., Aksimentyeva O.I., Tsizh B.R., Chokhan М.1.. Physical and Technological Properties of the Sensor Materials Based on Conjugated Polyaminoarenes // Phys. and Chem. of Solid State. - 2007. - V.8, № 4. - P.786-790.
Summary Chokhan M.I., assistant Lviv National University Veterinary Medicine and Biotechnologies named after
S.Z. Ghzytskyj
RESISTIVE SEMICONDUCTOR THIN FILM SENSORS FOR CONTROL OF
FOOD PRODUCTS
Physical and technological specialty of sensor films on the base of semiconductor was investigated. It is shown the superiority of using them in gas sensors on animal products quality.
Keywords; sensor, semiconductor, food products.
Стаття надшшла до редакцИ 20.09.2008
297
