MICROPOWER GAS SENSOR BASED ON THE COMPOSITION TUNGSTEN OXIDE AND MULTIWALL CARBON NANOTUBES

Gas-sensitive composition of tungsten oxide, prepared by sol gel method, with multiwall carbon nanotubes was investigated by transmission electron microscopy (TEM), measuring the electrical conductivity and surface area. Micro-power sensors (P ≤ 85 mW), containing WO3 ‑MWCNT as a sensing element were manufactured and tested. The greatest sensitivity to propane (≤ 400 %) was observed at substrate temperature below 200 ºC, while appreciable sensitivity to NO2 (≥ 300 %) was observed at higher temperatures (T ≈ 240 ºC or higher). Adding MWCNTs has no significant effect on sensitivity to hydrogen around the temperature range studied (current heating 21–75 mA). Gas sensor’s sensitivity to NO2 in a certain operating temperature range are more than 1000 %. The investigated gas-sensitive composition of tungsten oxide with MWCNTs is suitable for creating highly sensitive semiconductor sensors for combustible gases and nitrogen dioxide (including equipments for environmental air monitoring). The sensors have a high-speed response and recovery, and low power consumption

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ДИОКСИДА АЗОТА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИИ In2O3–Ga2O3–WO3

The properties of oxide gas sensitive compositions In2O3–Ga2O3–WO3 prepared by sol-gel method, with tungsten oxide 5 % wt., gallium oxide 4 % wt., have been investigated. Tungsten oxide addition was established to lead to significant increase in nitrogen dioxide sensitivity. The composition structural features were studied by X-ray diffraction analysis and Raman spectroscopy. It was found that thermal treatment of mixed sols In2O3, Ga2O3, WO3 leads to the formation of hete- rogeneous two-phase material containing (In, Ga)2O3 solid solution and monoclinic WO3 phases. According to X-ray diffraction data, the growth in size of WO3 and In2O3 grains during heat treatment in the mixed In2O3–WO3 composition decelerates as compared to individual oxides. It is assumed that significant increase in the sensitivity to low concentrations of nitrogen dioxide of the composition containing WO3 additive, as compared to the initial one, may be due to the presence of multiply charged adsorption centers (W4+, W5+, W6+), as well as due to the complication (according to EPR) of the defect structure of the double In2O3–WO3 and a triple In2O3–Ga2O3–WO3 composition as compared to the initial oxides. Single-electrode semiconductor nitrogen dioxide sensors with a low threshold of detection (<< 1 ppm) and low power consumption are fabrica- ted. The response of gas sensors based on the In2O3–Ga2O3 (4 % wt.)–WO3 (5 % wt.) composition to gas mixtures containing 10 ppm of NO2 in air has a pronounced maximum at powers of 80–90 mW.Изучены газочувствительные свойства оксидной композиции In2O3–Ga2O3–WO3, приготовленной золь-гель методом, с содержанием оксидов вольфрама 5 и галлия 4 мас.%. Установлено, что добавление оксида вольфрама приводит к существенному возрастанию чувствительности композиции In2O3–Ga2O3 (4 мас. %) к диоксиду азота. Методами рентгенофазового анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния изучены структурные особенности исследованной композиции. Установлено, что совместная термическая обработка золей In2O3, Ga2O3, WO3 приводит к формированию гетерогенного двухфазного материала, содержащего фазы твердого раствора (In, Ga)2O3 и моноклинного WO3. По данным РФА, рост размера зерен WO3 и In2O3 при термической обработке в смешанной композиции In2O3–WO3 замедляется по сравнению с индивидуальными оксидами. Предполагается, что существенное увеличение чувствительности к низким концентрациям диоксида азота композиции, содержащей добавку WO3, может быть связано с наличием многозарядных адсорбционных центров (W4+, W5+, W6+), а также с усложнением (по данным ЭПР) дефектной структуры двойной In2O3–WO3 и тройной In2O3–Ga2O3–WO3 композиции по сравнению с исходными оксидами. Изготовлены одноэлектродные полупроводниковые датчики диоксида азота с низким порогом детектирования (<< 1 ppm) и низким энергопотреблением. Сенсорный отклик газовых датчиков на основе композиции In2O3–Ga2O3 (4 мас. %) – WO3 (5 мас. %) к газовым смесям, содержащим 10 ppm NO2 в воздухе, имеет выраженный максимум при мощностях 80–90 мВт

Влияние добавки Fe2O3 на газочувствительные свойства оксидной композиции In2O3-Ga2O3

The sensitivity of nanocomposites In2O3:Ga2O3 (98:2, 96:4, 92:8 wt.%), both pure and doped with Fe2O3 (0,5-10 wt.%), has been investigated. Nanocomposites In2O3:Ga2O3 have been obtained by the sol-gel method, Fe2O3 has been obtained by various methods of Fe (II) and Fe (III) salts deposition. Standart gas mixtures contained 5000 ppm CH4 in air, 5000 ppm CO in air, as well as 2 and 10 ppm NO2 in nitrogen. The possibility of selective detection of NO2 over CH4, CO, ethanol vapor and other volatile organic compounds at low sensor power consumption (200 mW) has been established.Исследована чувствительность сенсоров на основе нанокомпозитов In2O3:Ga2O3 (98:2, 96:4, 92:8 мас.%), полученных золь-гель методом, легированных Fe2O3, осажденным из солей Fe(II) и Fe(III), в интервале концентраций 0,5-10 мас.% к газовоздушным смесям с содержанием 5000 ppm CH4, 5000 ppm СО, 5 и 5000 ppm H2, а также к 2 и 10 ppm NO2 в азоте. Установлена возможность селективного определения NO2 по отношению к H2, СН4, СО, парам этанола и других летучих органических соединений при потребляемой мощности сенсора до 200 мВт

Структура и газочувствительные свойства оксидных композиций WO3—In2O3 и WO3—Co3O4

Nanocrystalline tungsten oxide (WO3), indium oxide (In2O3), cobalt oxide (Co3O4) and mixed composites with different WO3—In2O3 and WO3—Co3O4 ratios were obtained by the sol-gel method after calcination of xerogels at 400—600 °C. The morphology, phase composition, and structural features of the materials obtained were studied by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, and scanning electron microscopy. The increase in the gas sensitivity of the joint composition compared to the initial oxides can be explained by a decrease in the crystallite size and an increase in the specific surface, as well as by the dependence of the surface state of the grains on the composition. The highest sensory response to nitrogen dioxide in both compositions lies in the range of 130—150 °C, and to carbon monoxide, above 230 °C. Low-power planar nitrogen dioxide sensors with a sensitivity of << 1 ppm and power consumption ≤ 85 mW were produced.Создание оксидных композиций является одним из перспективных способов увеличения чувствительности и селективности полупроводниковых газовых сенсоров на основе SnO2, In2O3, WO3 и других оксидов. Исследовали нанокристаллические оксид вольфрама (WO3), оксид индия (In2O3), оксид кобальта (Co3O4) и смешанные композиты с различными соотношениями WO3—In2O3 и WO3—Co3O4, полученные золь-гель методом после прокаливания ксерогелей при 400—600 °C. Морфологию, фазовый состав и особенности структуры полученных материалов изучали методами рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Установлена возможность получения стабильной микроструктуры в наногетерогенных композициях WO3—In2O3, WO3—Со3O4. Рост размера зерен WO3 и In2O3, WO3 и Co3O4 при термической обработке в смешанных композициях замедляется по сравнению с индивидуальными оксидами. Рост газовой чувствительности композиций по сравнению с исходными оксидами может быть объяснен снижением размеров кристаллитов и увеличением удельной поверхности, а также зависимостью поверхностного состояния зерен от состава композиции. Наиболее высокий сенсорный отклик к диоксиду азота в обеих композициях лежит в интервале 130—150 °С, к оксиду углерода — выше 230 °С. Изготовлены маломощные планарные сенсоры диоксида азота с чувствительностью << 1 ppm и потребляемой мощностью ≤ 85 мВт

ГАЗОВЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИИ ОКСИДА ВОЛЬФРАМА И МНОГОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Gas-sensitive composition of tungsten oxide, prepared by sol gel method, with multiwall carbon nanotubes was investigated by transmission electron microscopy (TEM), measuring the electrical conductivity and surface area. Micro-power sensors (P ≤ 85 mW), containing WO3 ‑MWCNT as a sensing element were manufactured and tested. The greatest sensitivity to propane (≤ 400 %) was observed at substrate temperature below 200 ºC, while appreciable sensitivity to NO2 (≥ 300 %) was observed at higher temperatures (T ≈ 240 ºC or higher). Adding MWCNTs has no significant effect on sensitivity to hydrogen around the temperature range studied (current heating 21–75 mA). Gas sensor’s sensitivity to NO2 in a certain operating temperature range are more than 1000 %. The investigated gas-sensitive composition of tungsten oxide with MWCNTs is suitable for creating highly sensitive semiconductor sensors for combustible gases and nitrogen dioxide (including equipments for environmental air monitoring). The sensors have a high-speed response and recovery, and low power consumption. Методами просвечивающей электронной микроскопии, измерения электропроводности и удельной поверхности исследована газочувствительная композиция оксида вольфрама с многостенными углеродными нанотрубками (WO3 –МУНТ), представляющая интерес для создания селективных чувствительных датчиков горючих газов и диоксида азота. Изготовлены и испытаны датчики (P ≤ 85 мВт), содержащие WO3 –МУНТ в качестве чувствительного элемента. Наибольшая чувствительность к пропану (≤ 400 %) наблюдается при температуре подложки менее 200 ºС, в то время как заметная чувствительность к NO2 (≥ 300 %) наблюдается при более высоких температурах (T ≥ 240 ºС). Введение МУНТ не оказывает существенного влияния на чувствительность к водороду во всем исследованном температурном интервале, соответствующем токам нагрева 21–75 мА. Чувствительность к NO2 при температуре 240 °С и выше (при токе нагрева 61 мА и выше) превышает 1000 %. Исследованная композиция оксида вольфрама с МУНТ пригодна для создания высокочувствительных полупроводниковых датчиков горючих газов и диоксида азота, в том числе для работы в составе приборов, предназначенных для экологического мониторинга воздуха. Датчики обладают высокими скоростями срабатывания и восстановления, а также низким энергопотреблением.