High Precision Gas Sensors Built With Ceramic Nanofilms

Abstract

Semiconductores como el SnO2 (puros o dopados), han sido intensamente utilizados para construir sensores de gases de película gruesa de tipo resistivo que permitan detectar gases tóxicos o combustibles: NOx, SO2, CO, H2, CH4 o VOCs (Volatile Organic Compounds). Los sensores convencionales basados en SnO2 microcristalino resultan interesantes debido a su alta sensibilidad y a su temperatura de operación (Top) relativamente baja (350-450) oC. Los autores han probado que la sensibilidad de varios de los sensores, construidos en el DEINSO-CITEDEF, aumenta en (30-35)% y la Top disminuye de (350-450)ºC a un rango de (180-220)ºC si el SnO2 microcristalino convencional es reemplazado por SnO2 nanocristalino para la construcción de los dispositivos. En consecuencia, en los últimos años, se han sintetizado polvos nanocristalinos, con una alta relación [superficie/volumen] y se han empleado con mejoras considerables en los dispositivos. Los sensores de tipo resistivo operan en presencia de oxígeno y se han estudiado los mecanismos de sensado para los casos de SnO2 micro- y nanocristalino. El objetivo de este trabajo fue construir un sensor de película fina con SnO2 puro nanocristalino para obtener un dispositivo para detectar ppm de hidrógeno en aire y optimizar su comportamiento. Se eligió construir el sensor de H2 para poner a punto las técnicas de película fina multicapas que luego se usarán en la construcción de un sensor fabricado con SnO2 dopado con Cu2O para medir ppm de SH2 (g) en aire. El SnO2 nanocristalino puro para medir H2 fue sintetizado por tres técnicas de película fina cuyos resultados se compararon y caracterizaron por DRX, determinando el tamaño de cristalita (ecuación de Scherrer) y estudiando las tensiones generadas por cada film. Las películas delgadas debido a su espesor, a su depósito en capas múltiples y a los tratamientos térmicos a los cuales son sometidas, producen tensiones las que, a su vez, causan defectos tales como dislocaciones, bordes de grano, interfaces o intercaras, aglomeraciones de vacancias, etc. que aceleran los procesos difusionales de los gases en los materiales sensibles y, en consecuencia, mejoran la performance del sensor. También se caracterizaron los films por la técnica de absorción BET y se observó la morfología por HRTEM. Estas dos últimas técnicas se efectuaron en los primeros crecimientos. Técnicas de. SEM se emplearon para medir espesores de los films y la rugosidad o relieve de las superficies. Se realizaron las mediciones de la sensibilidad del sensor de H2 y se compararon con datos dereferencia propia de los autores. Se describe también el circuito electrónico de control del sensor (de doble meandro obtenido por MEMS) que se ha mejorado mediante un nuevo circuito de medición microcontrolado, modular y transportable, que permite programar la temperatura de trabajo, los modos de operación del sensado, la calefacción y los tiempos de conmutación entre ellos.

The semiconductor metallic oxides, like pure or doped SnO2, have been intensively used for resistive thick film gas sensors to detect toxic, fuel or explosive gases: NOx, SO2, CO, H2, CH4 or VOCs (Volatile Organic Compounds) using thick film techniques. For many years, SnO2, gas sensors (as based on microcrystalline materials) have been considered by its high sensitivity and relatively low operation temperature Top=350oC-450oC for many years. If conventional microcrystalline SnO2 is substituted by nanocrystalline SnO2 to build the sensors, the authors have proved that sensor sensitivity increases from 30% to 35% and that the Top decreases from (350-450)ºC to a range (180-220)ºC. In the last decade, nanocrystalline powders with high [surface/volume] ratio have been synthesized and applied reaching a considerable improvement of devices. As sensors work in oxygen atmosphere, the sensing mechanisms have been carefully studied for micro- and nanocrystalline SnO2. In this case, a H2 (g) sensor built with pure SnO2 was chosen to carry out the multi-layered thin film techniques which will be used in a future experience to build a doped with Cu2O - SnO2 sensor to measure SH2 (g) ppm in air. At first, H2 (g) sensors were built at DEINSO with thick films. Techniques to build the layered nanocrystalline pure SnO2 thin films were performed and they are going to be optimized. The nanocrystalline pure SnO2 has been synthesized by three thin film techniques to compare results. Nanomateriales were characterized by DRX: crystallite size was measured by Scherrer equation and lattice stresses as produced by the different synthesis methods were also studied by X-rays diffraction. The thin films due to their thickness, to their deposit in multiple layers and to the thermal treatments to which they are subjected, produce stresses causing defects, such as: dislocations, grain boundaries, interfaces, vacancies clusters, etc. These defects accelerate the gases diffusional processes in the sensor, improving, in consequence, the device performance. Adsorption BET techniques and HRTEM morphology studies were performed on films. SEM was used to measure the films thickness and the surface relief or rugosity. The double meander electronic circuit (built by MEMS) to control sensors (already patented by the authors) was also improved by a new controlled, modular and portable circuit, being able to program the working temperature, the sensing operation modes, the heating and the commutation time between them