CC BY
15КОНГРЕСС WCAEE-2010
Статья поступила в редакцию 12.03.10. Ред. рег. № 755 The article has entered in publishing office 12.03.10. Ed. reg. No. 755
УДК 537.312
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ СЕНСОР ВОДОРОДА С УЛУЧШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ И СТАБИЛЬНОСТЬЮ ХАРАКТЕРИСТИК
В.М. Арутюнян, А.З. Адамян, З.Н. Адамян
Центр полупроводниковых приборов и нанотехнологий Ереванского государственного университета 0025, Армения, Ереван, ул. А. Манукяна, д. 1 Тел./факс (044) 555590, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 25.03.10 Заключение совета экспертов: 28.03.10 Принято к публикации: 31.03.10
В данной работе представлены результаты исследований тонкопленочных полученных методом золь-гель SnO2 сенсоров водорода, направленных на поиск путей улучшения параметров сенсоров. Установлено, что представленные в работе режимы отжига и начальной стадии включения сенсоров приводят к повышению чувствительности сенсоров более чем на два порядка, а также к улучшению стабильности параметров во времени. Показано также, что стабильность параметров сенсоров сохраняется и после долговременной работы сенсоров в условиях высокой влажности.
На основе исследуемых тонкопленочных сенсоров водорода разработан портативный детектор утечки водорода. Приведены основные параметры детектора.
Ключевые слова: сенсор водорода, детектор, золь-гель, тонкие пленки.
THIN-FILM HYDROGEN SENSOR WITH IMPROVED SENSITIVITY AND PARAMETERS STABILITY
V.M. Aroutiounian, A.Z. Adamyan, Z.N. Adamyan
Center of Semiconductor Devices and Nanotechnologies at Yerevan State University 1 A.Manoogian str., Yerevan, Armenia, 0025 Phone/fax: (044)555590, e-mail: [email protected])
Referred: 25.03.10 Expertise: 28.03.10 Accepted: 31.03.10
Results of investigations devoted to searching of ways for sol-gel derived SnO2 thin-film hydrogen sensors performance improvement are presented in this work. It is established that presented annealing treatment regimes and initial operation mode leads to rise in the sensors sensitivity by more than two orders of magnitude, as well as to improvement of the sensor parameters stability in time. It is shown that stability of the sensors parameters remains also under long-term operation of the sensors in high humidity conditions.
The portable hydrogen leakage detector on base of the studied sensor has been developed. The basic parameters of such detector are presented.
Keywords: hydrogen sensor, detector, sol-gel, thin film.
р Михайлович
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук (1979), профессор по физике полупроводников (1981). Зав. кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники (с 1977) и научный руководитель Центра полупроводниковых приборов и нанотехнологий Ереванского Государственного университета (Армения). Действительный член Национальной Академии наук (1996) и Инженерной Академии (1999) Армении и др. академий. Лауреат премии Президента Армении (2007). Главный редактор журналов «Известия НАН Армении. Физика», "Journal of Contemporary Physics" (Springer, Germany-Allerton Press, USA) и "Armenian Journal of Physics", член редколлегий и рецензент нескольких международных журналов.
Область научных интересов: физика и фотоэлектрохимия полупроводников, химические сенсоры, преобразователи солнечной энергии, ИК приборы и микроэлектроника.
Публикации: 3 монографии и 10 книг, 12 обзорных статей, более 400 статей и 150 докладов на международных конференциях.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Арсен Завенович Адамян
Сведения об авторе: с 2001 г. по настоящее время работает в Центре полупроводниковых приборов и нанотехнологий ЕГУ. Преподает в ЕГУ курсы «Основы схемотехники» и «Аналоговые интегральные схемы». В 2004 г. выполнял совместные работы в США с сотрудниками Б^И и ЫКЕЬ, а в 2009 г. - совместные работы в Институте физики конденсированных сред в Дюссельдорфе (Германия).
Образование: окончил бакалавриат (2001) и магистратуру (2003) при кафедре Физики полупроводников и микроэлектроники Ереванского государственного университета (ЕГУ). В 2006 г. окончил аспирантуру при той же кафедре и защитил диссертацию по теме: «Исследования газовых сенсоров, изготовленных на основе пористых наноструктурных полупроводников». В том же году ему присвоена ученая степень канд. физ.-мат. наук.
Область научных интересов: поиски путей совершенствования и разработки новых тонкопленочных металлооксидных газовых сенсоров, а также решение вопросов, связанных с автоматизацией технологических процессов и измерений.
Публикации: 45 научных статей и докладов на международных конференциях, 3 патента.
Завен Николаевич Адамян
Сведения об авторе: с 1988 г. работает в Ереванском государственном университете, ведущий научный сотрудник Центра полупроводниковых приборов и нанотехнологий. В 2007 г. была присуждена премия Президента Республики Армения за достижения в области технических наук и информационных технологий.
Образование: факультет радиоэлектроники Киевского политехнического института, Украина (1967 г.). В 1975 г. защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
Область научных интересов: физика, технология и методы измерений полупроводниковых приборов, в том числе датчиков различных внешних воздействий, в частности - температуры, магнитного поля, ИК приемников излучения, потоков электронов, преобразователей солнечного излучения и др. В настоящее время его усилия направлены на разработку и создание эффективных полупроводниковых газовых сенсоров.
Публикации: более 135 научных статей и докладов на международных конференциях, 1 монография, 1 книга и 8 патентов.
Введение
Интерес исследовательских групп и потребность в высокочувствительных, селективных, надежных и стабильных во времени сенсорах водорода возрастает из года в год [1-3]. Это связано в первую очередь с необходимостью их использования в таких быстро-развивающихся и важных стратегических областях, как топливные элементы, в том числе и для автомобилестроения [3], атомные и тепловые электростанции [4, 5], космические исследования [6] и др.
Металлооксидные сенсоры водорода среди прочих типов сенсоров, как-то: каталитических [7], электрохимических [8], термоэлектрических [9] -обладают рядом преимуществ. Среди них следует отметить низкий порог чувствительности, малые размеры, низкую цену, широкий диапазон температур, при которых возможно надежное функционирование сенсоров, совместимость технологии изготовления с современной микроэлектронной технологией, что позволяет наладить массовое производство таких сенсоров.
Среди недостатков металлооксидных сенсоров отмечается низкая точность измерения концентрации воздействующего водорода, зависимость параметров сенсоров от температуры и от уровня влажности среды, недостаточная стабильность параметров сенсоров во времени.
Нами разработана эффективная золь-гель технология с использованием прекурсора из станната на-
трия [10, 11], на основе которой были созданы тонкопленочные высокочувствительные и селективные сенсоры водорода из двуокиси олова [12, 13]. Основными преимуществами этой технологии являются: обеспечение ограничения роста размеров наночастиц с температурой, а также долговременное сохранение качества и свойств коллоидного раствора с частицами окисла. В результате наших экспериментов было установлено, что качество золи, предусмотренной для нанесения на подложку, не изменяется в течение по крайней мере семи лет наших наблюдений.
Некоторые из недостатков, отмеченных выше, например, зависимость от влажности, нам ранее удалось в какой-то мере преодолеть [12, 13], используя импульсный нагрев чувствительного элемента с определенной частотой, обеспечивающий регенерацию поверхности полупроводниковой пленки.
Считается, что одна из основных причин нестабильности характеристик сенсоров связана с ростом кристаллических зерен при повышенной температуре, соответствующей максимальной газовой чувствительности датчика. Однако, как уже было отмечено выше, разработанная нами золь-гель технология изготовления Бп02 сенсоров водорода обеспечивала относительную стабильность размеров зерен с ростом температуры. К тому же рабочая температура разработанных нами сенсоров достаточно низкая, не превышает 150 °С [12, 13]. Т.е. частично нам удалось повысить стабильность характеристик сенсоров. Тем не менее, нестабильность характеристик этих сенсо-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
ров в какой-то мере еще существует, и она является одной из главных причин, препятствующих широкому использованию на практике таких тонкопленочных металооксидных сенсоров.
Ниже представлены результаты наших изысканий, связанных с поиском путей стабилизации параметров разработанных нами SnO2 тонкопленочных сенсоров водорода.
Методика эксперимента
Образцы тонкопленочных сенсоров водорода на основе двуокиси олова были получены с использованием золь-гель технологии, описанной нами детально ранее в [10-12]. Золь центрифугированием наносилась на тщательно очищенную подложку из поликора с предварительно сформированными на ней Ti/Pt гребенчатыми электродами. Тонкий Ti подслой и Pt пленка последовательно наносились на подложку электронным напылением. Процесс центрифугирования повторялся 6 раз с последующим отжигом при 450 °С в течение 1 часа после нанесения очередного слоя. Скорость роста температуры от 20 до 450 °С составляла 1 °С/мин. Финальный отжиг образцов с уже нанесенными шестью слоями проводился при 650 °С в течение 2 часов.
Верхний тонкий каталитический слой Pt наносился на образцы также посредством электронного напыления на подогретую до 150 °С подложку. Усредненная толщина напыленных пленок контролировалась кварцевым резонатором и устанавливалась на уровне ~20 нм. Средняя скорость осаждения при этом составляла ~0,6 Ä/с. Давление в вакуумной камере до начала процесса напыления было 7-10-6, а в процессе - 1,5-10-5 торр.
В результате этих операций были получены тонкие пленки толщиной 100-120 нм. Толщина исследуемых пленок измерялась с помощью Stylus Profiler Ambios XP-1 профилометра. Морфология пленок изучалась нами ранее [10, 11, 13, 14]. С помощью анализа полученных TEM, SEM и STM изображений поверхности определялись размеры нанокристалли-ческих зерен SnO2, которые в основном находились в пределах 4-10 нм, даже после кальцинирования при 750 °С.
Таблица 1
Режим проведения многоступенчатого отжига пленок
Table 1
The films multi-step annealing treatment regime
Интервал температур, °C Скорость роста температуры, °С/мин Время поддержания температуры в конце каждого интервала, мин
20-470 5 0
470-650 1 150
650-750 2 0
Охлаждение по мере остывания печи
После нанесения каталитического слоя финальный отжиг проводился в воздухе согласно программе, представленной в табл. 1.
Ниже приводим некоторые соображения относительно мотивации необходимости проведения программно-управляемого многоступенчатого отжига пленок, полученных золь-гель методом.
1. При резком подъеме температуры возрастает вероятность образования трещин и других дефектов в пленке. Анализ SEM, TEM и STM изображений поверхности исследуемых нами пленок диоксида олова выявили их пористую структуру, состоящую из нанокристаллитов или зерен SnO2. Гель как таковой, а особенно пористый гель, как правило, является хорошим теплоизолятором, и, соответственно, для установления некоторого температурного равновесия со средой необходимо определенное время. Исходя из этого, температура геля должна повышаться достаточно медленно во избежание образования трещин, а в некоторых областях рост температуры даже может приостанавливаться на какое-то время [15]. Поэтому заранее программно задается режим с постоянной скоростью по возможности медленного роста температуры печи.
2. Чем меньшие размеры имеют поры и чем больше самого нанесенного геля, тем большее время требуется для успешного завершения процесса. Режим подъема температуры печи в нашем случае состоит из 3-х основных температурных диапазонов -низких, средних и высоких температур, хотя не исключено, что в этих пределах в дальнейшем может возникнуть целесообразность введения новых температурных поддиапазонов. Введение изменений в скорости роста температур и их временной выдержки обусловлено тем, что при температурах, соответствующих среднему диапазону, происходит диффузия дефектов из объема к поверхности, за счет чего растет концентрация дефектов на поверхности и, соответственно, увеличивается концентрация адсорбированного кислорода. В дальнейшем это обстоятельство приводит к увеличению чувствительности к газу, т. к. большее количество кислорода становится способным участвовать в реакции хемосорбции.
Изотермический отжиг в пределах 650 °С проводится с целью обеспечения условий, при которых молекулы воды после дегидратации двуокиси олова, диффундируя по порам, могли бы выйти из материала пленки.
3. Диффузия дефектов при более высоких температурах, возможно, происходила бы еще быстрее, но при этих температурах, во-первых, растет скорость образования новых дефектов и, во-вторых, что самое главное, резко растут размеры зерен, что никак не способствует повышению чувствительности. Поэтому выдержка при данных температурах по программе не предусматривается.
4. В выборе режима отжига принимается во внимание еще и роль катализатора - Pt, т.к. финальный отжиг проводится со структурами с нанесенными
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
пленками как чувствительного полупроводника (8пО2), так каталитического слоя платины. При температурах, соответствующих среднему диапазону, предполагается, что вместе с диффузией дефектов происходит также диффузия атомов И по поверхности, что приводит к «обволакиванию» зерен платиной. А это, в свою очередь, приводит к тому, что газ (водород), проникая через поры вглубь пленки, входит в реакцию хемосорбции по всей поверхности зерен.
Температура финального отжига выбрана выше температур отжига нанесенных золь-гель слоев, принимая во внимание тот факт, что, как показано в [16], при температурах 700-750 °С происходит рекристаллизация напыленных или распыленных слоев платины. Это ведет к формированию Р1 нанокластеров, покрывающих чувствительный слой, что, по всей видимости, значительно увеличивает каталитическую активность Р1 слоя, а это приводит к увеличению газовой чувствительности и понижению рабочей температуры.
Следует отметить, что при получении тонких пленок двуокиси олова с помощью других технологий, например, когда в качестве мишени для распыления используется чистое металлическое олово [14], представленный нами режим отжига также может быть успешно применен. В этом случае средний температурный диапазон также распространяется до 650 °С, что обусловлено тем, что только при достижении этой температуры можно быть уверенным, что все промежуточные неустойчивые фазы окислов олова - 8пО, 8п3О4 - переходят в стабильную газочувствительную фазу 8пО2 [17].
Измерения параметров тонкопленочных сенсоров водорода проводились посредством двух автоматизированных программно-управляемых измерительных установок:
1. Измерения проводились на базе программно-управляемой автоматической измерительной установки с закрытой камерой измерений, которая позволяет непосредственно в процессе измерений контролировать и записывать изменения характеристик и параметров сенсоров в зависимости от концентрации газа и температуры. Разработанная нами программа управления измерениями позволяет отображать изменения сопротивления сенсоров, обусловленные быстрыми адсорбционно-десорбционными процессами, а также длинновременными изменениями сопротивления сенсоров, связанными со старением и стабилизацией параметров в течение длительного времени. Разработанные нами монтажная и электрическая схема автоматической, компьютерно-управляемой измерительной установки, а также полное описание ее потенциальных возможностей для измерений представлены в [12, 13].
2. Тестовые измерения сенсоров водорода при их работе в смесях водород/воздух с различными концентрациями водорода и при различных значениях относительной влажности среды проводились на базе автоматизированной установки при постоянной пода-
че потока газовой смеси со скоростью 50 см3/мин. Установка позволяет регулировать RH и концентрацию газа во времени согласно предварительно заданной программе.
Поиск путей очувствления и стабилизации параметров сенсоров
При разных рабочих температурах проводились измерения чувствительности к водороду, а также времен отклика и восстановления на уровне 90% сигнала как свежеприготовленных, так и прошедших этап старения образцов сенсоров. Результаты измерений, проведенных при воздействии на свежеприготовленные сенсоры 1000 ppm H2, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Чувствительность и времена отклика и восстановления свежеизготовленных сенсоров, зарегистрированные под воздействием 1000 ppm водорода, при разных рабочих температурах
Table 2
Sensitivity as well as response and recovery times for as-prepared sensors registered under 1000 ppm hydrogen influence and different operation temperatures
Параметры сенсоров T, °C
90 110 130 150
90% время отклика, с 450 40 7 2
90% время восстановления, с 100 52 20 20
Sl000, Rair/Rgas 50 45 30 50
Здесь и далее - чувствительность к газу, выражаемая через отношение величин электрического сопротивления сенсора, находящегося в воздухе (Ка1Г) и в смеси воздуха с испытуемым газом (Л6£В); индекс при 5 (1000 или 5000 и другие) указывает на концентрацию газа в единицах ррт.
Следует заметить, что вышеперечисленные параметры недостаточно воспроизводимы в случае работы со свежеприготовленными сенсорами. Для того чтобы стабилизировать чувствительность и временные характеристики изготовленных по золь-гель технологии тонкопленочных сенсоров водорода, нами было проведено специальное, относительно долговременное старение свежеприготовленных образцов в смеси воздуха с 5000 ррт водорода при 150 °С с не прерывающимися измерениями изменений сопротивления сенсоров. Подробнее указанная методика старения представлена в [18].
Анализируя результаты представленного на рис. 1 долговременного старения и тестирования образцов, можно заключить, что описанный процесс старения сенсоров сопровождается повышением чувствительности сенсоров вплоть до 55000 = 2-104 к концу процесса старения, главным образом благодаря уменьшению величины Я&ж. Такая высокая чувствительность сохраняется в течение дальнейшей работы сенсоров.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Рис. 1. Изменения сопротивления сенсоров водорода в течение их длительного пребывания в содержащей водород атмосфере в рабочем режиме Fig. 1. Hydrogen sensor resistance changes during long-term exposure in hydrogen-containing environment at operation conditions
Измерения времен отклика и восстановления непосредственно после старения показывают, что длительная выдержка в атмосфере, содержащей водород, приводит к некоторому замедлению реакции сенсора. Подобный эффект наблюдается, когда сенсоры находятся в воздухе в течение длительного времени. Однако этот эффект исчезает после кратковременного их пребывания в смеси водород/воздух в рабочем состоянии или после 10-минутного прогревания до 300 °С. Наконец, после выполнения этих процедур данные о реакции сенсора, например, при напуске 1000 ppm водорода и его удалении, стабилизируются на уровне, представленном в табл. 3.
Таблица 3
Параметры сенсоров после их долговременного старения, снятые при различных рабочих температурах
Table 3
The sensor parameters values depending on different operating temperatures after long-term ageing
Параметры сенсоров T, °C
90 110 130 150 170 190 220
90% время отклика, с 150 120 95 15 12 11 6
90% время восстановления, с 140 115 70 40 33 28 20
^1000, ^/^аБ 150 300 1000 2000 1800 1800 1650
150 °С (хотя гидроксильные группы десорбируют, начиная только с 250 °С). А этот процесс, как известно [19], происходит медленно. Этим можно объяснить большие времена реакций, имеющих место при температурах ниже 150 °С, и частично увеличение чувствительности с температурой, связанное с освобождением центров хемосорбции газов от воды.
После окончательной длительной стабилизации работы сенсоров и достигнутого их очувствления необходимо было выяснить возможность функционирования сенсоров в очень жестких внешних условиях, в частности, в условиях высокой относительной влажности среды. С этой целью проводились соответствующие исследовательские работы, результаты которых представлены на рис. 2, откуда видно, что, как можно было ожидать, основываясь на предыдущих наших работах [12-14], при низких уровнях влажности (0-55% ЯИ) чувствительность остается практически постоянной. Чувствительность же при высоких уровнях относительной влажности среды падает несущественно из-за уменьшения сопротивления сенсора в чистом воздухе. Тем не менее, чувствительность остается достаточно высокой и, что очень важно, не изменяется со временем.
Окончательные данные кинетики реакции сенсоров и газовой чувствительности, полученные при воздействии различных концентраций водорода, достаточно хорошо повторяемы и воспроизводимы.
Молекулы воды, присутствующие на поверхности и покрывающие собой активные для хемосорбции газов поверхностные состояния, согласно [17], при атмосферном давлении полностью удаляются при
Рис. 2. Долговременное тестирование работы сенсоров водорода при различных уровнях относительной влажности среды Fig. 2. Long-term testing of the hydrogen sensors at different relative humidity levels
Кроме того, после длительной работы в условиях высокой влажности, как видно из рис. 2, чувствительность сенсоров и значения сопротивлений в воздухе и в смеси воздуха с водородом остаются теми же, что были в начале эксперимента при ЯИ = 0. Это свидетельствует о высокой степени повторяемости и воспроизводимости параметров сенсоров или отсутствии необратимого изменения параметров после достаточно длительного пребывания сенсоров во влажной среде в рабочих условиях. Эти факты позволяют предложить исследуемые нами сенсоры водорода для их применения в топливных элементах, где сенсоры утечки водорода постоянно работают в условиях высокой влажности среды (90% ЯИ и выше).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Сравнение параметров с некоторыми коммерческими сенсорами водорода
Ниже приводится сравнение электрических характеристик выпускаемых фирмами Synkera Technologies, Inc., Trace Hydrogen Sensor (P/N 701), Figaro TGS 821 [20] и разработанных нами CSDN (Center of Semiconductor Devices and Nanotechnologies) тонкопленочных сенсоров водорода.
Из табл. 4 следует, что по таким параметрам, как потребляемая мощность, чувствительность, низкие рабочие температуры и время отклика, разработанные нами сенсоры водорода выглядят предпочтительнее, чем рассматриваемые в таблице коммерческие сенсоры.
Таблица 4 Характеристики коммерческих и разрабатываемых сенсоров водорода
Table 4
Commercial and developed hydrogen sensors performance
Свойства Символ P/N 701 CSDN сенсор TGS 821
Потребляемая мощность нагревателя, мВт Ph ~ 600 120 660
Рабочая температура, °С Ts ~240 130 -
Напряжение нагревателя, В Vh 5,4 3,5 5,0±0,2
Сопротивление нагревателя (при комнатной температуре), В Rh 32±2 75 38,0±3,0
Напряжение питания сенсора, В Vc 5,0 1-24 до 24
Чувствительность (при 1000 ррт Н2), S ~ 10 ~ 103 1,6-102
Время отклика (90%, при 100 ррт Н2), с Tres 15 1-2 -
Время, ч
Сенсор CSDN —■— Фигаро TGS 821 ---Концентрация
Рис. 3. Результаты сравнительных испытаний разрабатываемых тонкопленочных сенсоров водорода с сенсором водорода TGS821 фирмы Figaro Fig. 3. Parallel testing results of developed thin-film and Figaro TG 821 hydrogen sensors
Портативный детектор утечки водорода
На основе исследуемого тонкопленочного сенсора водорода был создан портативный детектор утечки водорода. На рис. 4 представлен общий вид этого прибора.
Рис. 4. Фотоизображение детектора утечки водорода. Рядом отдельно расположен сенсор водорода Fig. 4. Photograf of the hydrogen leakage detector. The hydrogen sensor is settled nearby separately
Таблица 5
Основные параметры портативного детектора утечки водорода
Table 5
Basic parameters for portable hydrogen leakage detector
С целью получения информации, необходимой для позиционирования разрабатываемого сенсора на рынке, совместно с фирмой H2ECOnomy были проведены сравнительные испытания сенсоров с сенсорами водорода TGS 821 производства Figaro.
Для одновременной регистрации сигналов обоих сенсоров, находящихся в одинаковых условиях, были внесены соответствующие изменения в электрическую схему и управляющую программу измерительной системы. Рабочая температура сенсора была установлена на уровне 200 °С, а на нагреватель TGS821 было подано напряжение 5 В согласно фирменной спецификации. Результаты, полученные при испытаниях, приведены на рис. 3, откуда видно, что такие параметры разрабатываемых сенсоров, как чувствительность и время отклика, находятся на одном уровне с TGS821, а время восстановления значительно меньше.
Параметр Значение
Порог чувствительности утечки водорода, об. % 0,01
Время отклика, с 1-2
Время восстановления, с 40
Напряжение питания, В = 3,6 или ~ 220, 50 Гц
Потребляемая мощность в автономном режиме, мВ 100-160
Длительность работы в автономном режиме, ч 14
Относительная влажность среды, % от 0 до 95
Размеры детектора, мм 145x25x15
Вес, кг 0,1
Срок службы, лет 5
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Предлагаемый детектор утечки водорода благодаря уникальным свойствам водорода, в частности -малости размеров молекул и их высокой скорости распространения, а также высокой чувствительности разработанного сенсора, способен надежно регистрировать наличие утечки в различных газовых и вакуумных системах и приборах. Портативный детектор утечки водорода может работать как в автономном режиме с питанием от батареи, так и в непрерывном режиме с использованием зарядного устройства (например, мобильного телефона). С помощью линейки светодиодов можно визуально эффективно находить расположение места утечки. Основные параметры портативного детектора утечки водорода представлены выше в табл. 5.
Заключение
Таким образом, предлагаемые технологические режимы и условия эксплуатации тонкопленочных, изготовленных золь-гель методом сенсоров водорода приводят не только к стабилизации параметров сенсоров, но и к существенному увеличению их чувствительности (до двух порядков величины и выше). При этом времена отклика и восстановления изменяются незначительно по сравнению со свежеприготовленными сенсорами.
Чувствительность сенсоров при их работе в условиях высокой влажности остается достаточно высокой и не изменяется со временем.
Суммируя полученные нами ранее результаты с последними доработками, частично представленными в данной статье, можно сделать заключение, что разработанные сенсоры водорода обладают:
- высокой чувствительностью и селективностью к водороду при его концентрации в воздухе от 50 до 10000 ppm и выше;
- функционируют при низких рабочих температурах и, соответственно, характеризуются малой потребляемой мощностью;
- способны надежно функционировать в условиях высокой влажности.
Данная работа выполнялась в рамках проекта МНТЦ А-1232.
Список литературы
1. Jain I.P. Hydrogen the fuel for 21st century // International J. of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, No. P. 7368-7378.
2. Aroutiounian V.M. Metal oxide hydrogen, oxygen, and carbon monoxide sensors for hydrogen setups and cells // International J. of Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. P. 1145-1158.
3. Aroutiounian V.M. Hydrogen detectors // International Scientific J. for Alternative Energy and Ecology - ISJAEE. 2005. No. 3. P. 21-31.
4. Loloee R., Chorpening B., Beer S., Ghosh R. Hydrogen monitoring for power plant applications using SiC sensors // Sensors and Actuators B. 2008. Vol. 129, No.1 P. 200-210.
5. Kohl D. Function and applications of gas sensors // J. of Physics D: Applied Physics. 2001. Vol. 34. P. R125-R149.
6. Hunter G., Neudeck P., Jefferson G., Madzsar G. The development of hydrogen sensor technology at NASA Lewis research centre. // NASA Technical Memorandum. 1992. 106141.
7. Boon-Brett L., Bousek J., Moretto P. Reliability of commercially available hydrogen sensors for detection of hydrogen at critical concentrations: Part II - selected sensor test results // International J. of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. P. 562-571.
8. Martin L.P., Pham A-Q., Glass R.S. Electro-chemical hydrogen sensor for safety monitoring // Solid State Ionics. 2004. Vol. 175. P. 527-530.
9. Nishibori M., Shin W., Izu N., et.al. Robust hydrogen detection system with thermoelectric hydrogen sensor for hydrogen station application // J. of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. P. 2834-2641.
10. Adamyan A.Z., Adamian Z.N., Aroutiounian V.M. Preparation of SnO2 films with thermally stable nanoparticles // Sensors. 2003. Vol. 3. P. 438-442.
11. Адамян А.З., Адамян З.Н., Арутюнян В.М. Золь-гель технологии получения чувствительных к водороду тонких пленок // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2006. № 8. С. 24-30.
12. Adamyan A.Z., Adamian Z.N., Aroutiounian V.M., Arakelyan A.H., Turner J., Touryan K. Sol-gel derived thin-film semiconductor hydrogen gas sensor // Intеrnational J. of Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32, No. 16. P. 4101-4108.
13. Адамян А. З., Адамян З. Н., Арутюнян В. М., Ара-келян А. О. Низкотемпературный высокочувствительный тонкопленочный сенсор водорода // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2006. № 9. С. 11-16.
14. Aroutiounian V.M., Adamyan A.Z., Adamyan Z.N., Arakelyan A.H. Tin dioxide thin film hydrogen nanosensor // Proc. SPIE. 2008. Vol. 6943. P. 69430J-1-69430J-12.
15. Sol-gel technology for thin films, fibers, performs, electronics, and specialty shapes / Ed. by Lisa C. Klein. "Novel Publications", Park Ridge, New Jersey, USA. 1988. P. 407.
16. Wollenstein J., Bottner H., Jaegle M., Becker W.J., Wagner E. Material properties and the influence of metallic catalysts at the surface of highly dense SnO2 films // Sensors and Actuators. 2000. Vol. B70. P. 196-202.
17. Batzill M., Diebol U. The surface and materials science of tin oxide // Progress in Surface Science. 2005. Vol. 79. P. 47-154.
18. Adamyan A.Z., Adamyan Z.N., Aroutiounian V.M. Study of sensitivity and response kinetics changes for SnO2 thin-film hydrogen sensors // International J. of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, No. 19. P. 8438-8443.
19. Thornton E.W., Harrison P.G. Tin oxide surfaces. Part 3. - Infrared study of the adsorption of some small organic molecules on tin (IV) oxide // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1975. Vol. I, No. 71. P. 2468.
20. Web sites: www.sinkera.com;www.figarosensor.com.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
