Senzori de gaz pe bază de ZnO

Rezumat

Detecția gazelor este o necesitate curentă pentru multe aplicații de uz casnic sau industrial. Există o plajă destul de variată de soluții pentru detecția gazelor, însă cea mai potrivită metodă din punct de vedere economic și al performanțelor tehnice este folosirea materialelor oxidice gaz senzitive.

Acestea folosesc proprietățile semiconductoare (în funcție de caracteristicile oxidului: la temperatura camerei și/sau în formă pură, fie la temperaturi ridicate și/sau cu adaosuri de dopanți), în procesul gaz-senzitiv. Procesul gaz senzitiv constă în adsorbția oxigenului din amestecul de gaze (sau direct a analitului), fenomen ce va duce la o schimbare notabilă în proprietatea de conducție electrică. Odată intrat în contact cu analitul, oxigenul adsorbit reacționează cu acesta și părăsește suprafața oxidului. Această reacție duce la o nouă schimbare de conductivitate electrică, care de această dată va fi înregistrată ca semnal al detecției gazului respectiv.

Se alege pentru studiul de față oxidul de zinc ca material gaz-senzitiv, acesta fiind primul material cercetat pentru astfel de aplicații, dar nu și cel mai studiat. Este un material cu proprietăți selective și senzitive special de bune pentru hidrogen, amoniac sau etanol, deși poate detecta și oxigen și o întreagă plajă de compuși organici. Avantajele folosirii ZnO se vor afla pe parcurs printre cele mai notabil fiind costul scăzut, senzitivtate și selectivitate bună.

Pe parcursul studiului vom defini noțiuni teoretice cu privire la caracteristicile senzorilor, noțiuni de bază ce țin de teoria semiconductorilor și a mecanismului gaz-senzitiv, dar și clasificări ale senzorilor pe bază de materiale oxidice.

Totodată, dorim analizarea factorilor ce influențează performanțele senzorilor. Vom vedea că microstructura și granulometria materialului, precum și tipul structural vor fi factori de influență cruciali. Printre aceștia se vor enumera și alți factori demonstrați în literatura de specialitate ca avansări în tehnica de detecție a senzorilor.

Lucrarea cuprinde și două studii de caz menite să ne faciliteze o familiarizare cu senzorii de gaze pe bază de ZnO. Vom vedea că deși senzorii unidimensionali de ZnO au performanțe mult mai crescute, cercetările sunt încă în stadiu incipient în ceea ce îi privește, fapt ce face ca senzorii în strat subțire să fie pentru moment soluția fiabilă. În al doilea studiu de caz vom investiga un proces tehnologic de obținere a straturilor subțiri gaz-senzitive de ZnO prin metoda sol-gel.

Lucrare se va termina cu un studiu de fezabilitate menit să evalueze gradul de implementare al prezentei lucrări într-un scenariu de afacere.

I. Partea de documentare tehnică

SENZORI DE GAZE PE BAZĂ DE ZnO

I. 1. INTRODUCERE

În această primă parte a lucrării, cea a studiului de documentare tehnică, se obiectivul studiului îl are înţelegerea tehnologiei ce stă la bază funcționarii senzorilor pe bază de ZnO, dar și noțiuni ce cuprind construcția şi obținerea lor. Așa cum se va observa, senzorul de gaze pe bază de ZnO este un senzor din categoria materialelor oxidice semiconductoare, al cărui parametru senzitiv este conducția electrică.

Pentru a înțelege tehnologia acestor senzori, vom trata mai întâi o mică parte de teorie legată de senzori aplicativă domeniului nostru de studiu, vom clasifica și descrie pe scurt tipurile de senzori de gaze pe bază de materiale oxidice sau ceramice urmând să ne folosim apoi de aceste noțiuni pentru a înțelege, compară și descrie categoria din care face parte senzorul pe bază de ZnO. Documentarea cuprinde și două studii de caz referitoare la senzorii pe bază de ZnO, în care se vor discuta avantaje şi dezavantaje ale acestui senzor sau ale tipurilor constructive ale acestuia.

I. 2. SENZORI - NOȚIUNI INTRODUCTIVE

Senzorul reprezintă un dispozitiv tehnic care reacționează la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem poate măsura/înregistra de exemplu: presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, radiații etc.

Senzorii cunosc o imensă varietate de categorii, în funcție de tipul lor și de mărimea fizică la care sunt sensibili. Stimulii pot fi mecanici (presiune, șoc mecanic), termici, electromagnetici, acustici sau chimici la origine, în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deși pot fi de asemenea folosite semnale pneumatice, hidraulice și optice. Având în vedere tema lucrării de față, în continuare, se va face referire numai la senzorii chimici sau chemosenzitivi.

Conform definiţiei date de IUPAC [1], un senzor chimic este un instrument care transformă o informaţie chimică, (care variază între o informaţie privind concentraţia unui anume component la analiza totală a unui amestec) într-un semnal util din punct de vedere analitic. O altă sursă din literatură [2] definește senzorii chimici că instrumente de dimensiune mică, compuse dintr-un element de recunoaştere, unul de traducere şi un procesor de semnal, capabil să indice continuu şi reversibil o concentraţie chimică (în cazul acestei definiții se observă o abordare specifică mediilor de cercetare din domeniul electronic). O altă definiție, formulată mai mult din punct de vedere economic, caracterizează senzorii că instrumente de mărime mică capabile de a reda continuu și reversibil o concentrație chimică [2, 3].

Un senzor chimic funcționează prin îndeplinirea a două funcții:

• interacțiunea specifică cu proprietatea analitul;

• posibilitatea de a transforma această proprietate în semnal măsurabil.

Cele mai importante avantaje ale senzorilor sunt:

• senzorii specializați pot substitui metodele analitice clasice, fiind mai rapizi si mai preciși;

• cantitățile analitului pot fi urmărite automat, în timp real;

• sunt soluții de analiză portabile (utilitate).

În tabelul I.1. putem urmări o bună parte din aplicațiile senzorilor, în sectorul specific detecției gazelor [4].