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

A Micropowered Chemoresistive Sensor Based on a Thin Alumina Nanoporous Membrane and SnxBikMoyOz Nanocomposite

This work presents and discusses the design of an efficient gas sensor, as well as the technological process of its fabrication. The optimal dimensions of the different sensor elements including their deformation were determined considering the geometric modeling and the calculated moduli of the elasticity and thermal conductivity coefficients. Multicomponent SnxBikMoyOz thin films were prepared by ionic layering on an anodic alumina membrane and were used as gas-sensitive layers in the sensor design. The resistance of the SnxBikMoyOz nanostructured film at temperatures up to 150 ◦C exceeded 106 Ohm but decreased to 104 Ohm at 550 ◦C in air. The sensitivity of the SnxBikMoyOz composite to concentrations of 5 and 40 ppm H2 at 250 ◦C (10 mW) was determined to be 0.22 and 0.40, respectively

МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ МИКРОСИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ СО, H2 , C3H8 , CO2

Manufacture of module of chemical sensors on a single chip is one of the promising directions in the development of gas sensory. The aim of this work was development of construction of multisensor microsystem enabled to retain the characteristics of a single sensor and its dimensions and, at the same time, to reduce power consumption and cycle time of measuring concentration of gases CO, H2 , C3H8 , CO2 in the environment. Multisensor microsystem consists of four detached sensors placed on a single substrate of nanostructured aluminum oxide. The use of through-holes and the dielectric substrate itself in microsystem topology reduced power consumption of gas microsystems. We have devised a method of measuring sensitivity of foursensor microsystem to the concentration of gases CO, H2 , C3H8 , CO2. A full cycle of measuring gases concentration consisted of the time required for preliminary heating of all sensors of the microsystem (5 s), the heating time of each of the sensors sequentially (5 s) and time required to measure resistance for each sensor (80 s). The measured results show that the reaction time of multisensor microsystem when exposed to gases – H2 at a concentration of 0,001 %, CO2  1 %, СО – 0,02 %, C3H8 – 0,01 % does not exceed 90 s for full measurement cycle. Sensitivity value at power consumption of < 150 mW makes up 48–64 % for H2 , 32– 36 % for CO2 , 20–29 % for СО, 68–78 % for C3H8 . The proposed method to control sensitivity of multisensor microsystem to the concentration of gases CO, H2 , C3H8 , CO2 allows performing measurements within 90 s while the measurement cycle by a single sensor in pulse heating mode is 2 min, in continuous heat mode – 5 min. Maximum power consumption of the microsystem does not exceed 150 mW. Microsystems allow measuring lower concentrations of detected gases. Изготовление модуля химических сенсоров на одном кристалле является одним из перспективных направлений в развитии газовой сенсорики. Целью данной работы являлась разработка мультисенсорной микросистемы для уменьшения времени измерения концентрации газов CO, H2 , C3H8 , CO2, а также снижение потребляемой мощности микросистемы в целом. Мультисенсорная микросистема включает четыре одиночных сенсора, размещенных на одной подложке из наноструктурированного оксида алюминия. Использование в топологии микросистемы сквозных отверстий и диэлектрической подложки снизило потребляемую мощность газовой микросистемы. Нами предложен способ измерения чувствительности четырехсенсорной микросистемы к концентрации газов CO, H2 , C3H8 , CO2 . Полный цикл измерения концентрации газов состоял из времени предварительного прогрева всех сенсоров микросистемы (5 с), времени разогрева каждого из сенсоров последовательно (5 с) и времени измерения сопротивления каждого сенсора (80 с). Результаты измерений показали, что время реакции мультисенсорной микросистемы при воздействии газов: H2 с концентрацией 0,001 %, CO2 – 1 %, СО – 0,02 %, С3H8 – 0,01 % не превышает установленного для полного цикла измерения 90 c. Значение чувствительности при потребляемой мощности < 150 мВт составило для H2 – 48–64 %, для CO2 – 32–36 %, для СО – 20–29 %, для С3H8 – 68–78 %. Предложен способ контроля чувствительности мультисенсорной микросистемы к концентрации газов CO, H2 , CO2 , C3H8 , который позволяет проводить измерения за 90 с. В то время как цикл измерения одиночным сенсором в среднем составляет, в режиме импульсного нагрева – 2 мин, в режиме постоянного нагрева – 5 мин. Максимальное значение потребляемой мощности микросистемы составило не более 150 мВт. C помощью микросистем можно проводить измерения более низких концентраций детектируемых газов

РАЗРАБОТКА ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

The lines of development of gas sensors having low power consumption have been considered in the article. The utilization of nanostructured alumina as sensor template allows obtaining thermocatalytic and semiconductor gas sensors with low power consumption.Рассмотрены пути создания газовых сенсоров, имеющих малые величины потребления мощности. Данный результат связан с введением в конструкцию термокаталитических и полупроводниковых газовых сенсоров наноструктурированного оксида алюминия, служащего основой для формирования их чувствительных элементов

Влияние радиусов сопряжений элементов мембранных МЭМС-систем на собственные колебания

The regularities of changes in the frequencies and forms of natural oscillations and the stress state of a silicon sensing element of a mechanical MEMS accelerometer system depending on changes in the radii of rounding of structural elements are considered. An increase in the natural frequencies of the system and stresses in torsion suspensions has been established with an increase in the radii of the coupling of the suspension with the frame and the inertial mass. The rounding of the shape of the suspensions in the plan leads to a decrease in natural frequencies and an increase in stresses arising from oscillatory movements. The fact of localization of high-frequency oscillation forms in the inertial mass is confirmed. A set of design solutions is recommended to control the vibration state of the MEMS accelerometer mechanical system.Рассмотрены закономерности изменения частот и форм собственных колебаний и напряженного состояния кремниевого чувствительного элемента механической системы МЭМС-акселерометра в зависимости от изменения радиусов скругления конструктивных элементов. Установлено увеличение собственных частот системы и напряжений в торсионных подвесах с увеличением радиусов сопряжений подвеса с рамкой и инерционной массой. Скругление формы подвесов в плане приводит к снижению собственных частот и росту напряжений, возникающих при колебательных движениях. Подтвержден факт локализации форм колебаний высокой частоты в инерционной массе. Рекомендован комплекс конструктивных решений, позволяющих управлять вибрационным состоянием механической системы МЭМСакселерометра

АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ МАССИВОВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ

The results of experimental studies of the properties of a new type of nanostructured devices - acoustoelectronic sensors based on modified carbon nanotube arrays are discussed. Electrical circuits and construction of acoustoelectronic chemical sensors for bulk acoustic waves with carbon nanotubes array sensing layer were developed and studied.Приведены результаты экспериментальных исследований свойств нового типа наноструктурных устройств - акустоэлектронных сенсоров на основе массивов модифицированных углеродных нанотрубок. Разработаны и исследованы электрические схемы и конструкции акустоэлектронных химических сенсоров на объемных акустических волнах на основе массивов модифицированных углеродных нанотрубок

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.

ЧЕТЫРЕХСЕНСОРНАЯ ГАЗОВАЯ МИКРОСИСТЕМА НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ПОРИСТОГО АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ: КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ

Design and fabrication technique of four sensor gas microsystem based on nanoporous anodic alumina have been developed. Simulation of basic elements′ temperature and thermo-mechanical deformation created in the microsystem construction has been carried out by finite element method. r-spacing:-.05pt'>боты микросистемы.Разработаны конструкция и технология создания 4-сенсорной газовой микросистемы, изготавливаемой на подложках из нанопористого анодного оксида алюминия. Методом конечных элементов проведено моделирование температуры основных ее элементов и термомеханических деформаций, возникающих в конструкции при различных режимах работы микросистемы

АВТОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ НА ОСНОВЕ МАССИВОВ НИОБИЕВЫХ ОКСИДНЫХ СТОЛБИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ ПОЛЕВЫХ ЭМИССИОННЫХ ДИСПЛЕЕВ

The article discusses the prospects of creating controlled field-effect cathodes based on arrays of columnar oxide niobium nanostructures for field emission displays. Geometrical models of field-emission cathodes and vacuum elements have been developed and investigated. The distribution of the electric field in the vacuum device at various distances between the cathode and the anode, the applied voltages between them, the shape and microgeometry of the cathodes were obtained. The optimal geometric parameters of nanostructured autoelectronic cathodes and matrices of these were calculated based on the simulation. The technological route has been developed for the production of autoelectronic cathode matrices based on arrays of niobium-oxide columnar nanostructures formed by electrochemical anodization of Al/Nb thin-film system. The samples of controlled arrays of autoelectronic cathodes were fabricated and the current-voltage characteristics with interelectrode gap of 2, 5 and 10 μm in various electric modes with change in the electric field strength from 3 to 85 V/μm were studied. At 2 μm gap between the anode and cathode, the emission occurs at minimum threshold voltages, but it is characterized by limited current values. The increasing in the interelectrode gap allows rising the emission currents, however, the threshold voltages increase. In the pulsed mode, the large emission currents are achieved. The threshold voltage of autoelectronic cathode matrices with interelectrode gap of 5 μm was 9.16 V, the maximum currents reached 350 μA at voltage of 22.5 V. In the pulsed mode, the emission arose at 11.06 V, the maximum current reached 1500 μA at 40 V.В статье обсуждаются перспективы создания управляемых матриц автоэлектронных катодов на основе массивов столбиковых оксидных ниобиевых наноструктур для полевых эмиссионных дисплеев. Разработаны и исследованы геометрические модели автоэлектронных катодов и вакуумных элементов на их основе. Получены распределения электрического поля в вакуумном устройстве при различных расстояниях между катодом и анодом, приложенных напряжениях между ними, форме и микрогеометрии катодов. На основании результатов моделирования рассчитаны оптимальные геометрические параметры наноструктурированных автоэлектронных катодов и матриц на их основе. Разработан технологический маршрут изготовления матриц автоэлектронных катодов на основе массивов ниобиевых металлоксидных столбиковых наноструктур, формируемых электрохимическим анодированием тонкопленочной системы Al/Nb. Изготовлены образцы управляемых матриц автоэлектронных катодов и исследованы их вольт-амперные характеристики при межэлектродном зазоре 2, 5 и 10 мкм в различных электрических режимах при изменении напряженности электрического поля от 3 до 85 В/мкм. При 2 мкм зазоре между анодом и катодом эмиссия возникает при минимальных пороговых напряжениях, однако характеризуется ограниченными значениями токов. Увеличение межэлектродного зазора позволяет увеличить эмиссионные токи, однако при этом повышаются пороговые напряжения. В импульсном режиме достигаются большие значения эмиссионных токов. При зазоре 5 мкм между катодом и анодом пороговое напряжение составило 9,16 В, максимальные токи достигали 350 мкA при напряжении 22,5 В. В импульсном режиме эмиссия возникала при 11,06 В, максимальный ток достигал 1500 мкА при 40 В

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