Metal oksit ince filmlerin gaz sensörü uygulamalarının araştırılması
Investigation of gas sensing applications of metal oxide thin films
Yazar: M. CİHAN ÇAKIR
Danışman: PROF. DR. SELMA MUTLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışma, uçucu organik bileşik (VOC) tespitinde kullanılmak üzere, tümleşik mikro ısıtıcılı, metal oksit yarıiletken temelli mikro yapılandırılmış gaz sensörü (MOS-VOC sensor) geliştirilmesi amacıyla yapılan kimyasal (CVD) ve fiziksel (PVD) incefilm büyütme, fotolitografi, plazma aşındırma (ICP-RIE), anizotropik ıslak aşındırma gibi fabrikasyon ve üretilen yapıların karakterizasyon işlemlerini kapsamaktadır. Entegre mikro ısıtıcı taban (micro hot plate), silisyum alttaş üzerinde mikro elektromekanik sistem fabrikasyonu (MEMS) teknikleri ile geliştirilmiştir. Direnç malzemesi olarak nikel-krom alaşımı ve indiyum-kalay oksitin (ITO) kullanıldığı dört farklı rezistör geometrisine sahip mikro ısıtıcı tabanlar üretilerek termal karakterizasyonları yapılmıştır. Hedef gazlara duyarlı ZnO ve SnO2 metal oksit incefilmler sıçratma (sputtering) ile kaplanmıştır. Büyütülen bu örneklerin yapısal incelemeleri için Fotolüminesans (PL) Ölçüm Sistemi, X-Işını Kırınımı (XRD), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) kullanılmıştır. Sensörlerin termal karakterizasyonu ise termal mikroskop kullanılarak yapılmıştır. Geliştirilen SnO2 sensörlerin tepkisellikleri amonyak ve metan gazlarının 500ppm, 1000ppm ve 2000ppm derişimleri için dört farklı çalışma sıcaklığında test edilmiştir. Derişimin artışına bağlı olarak sensör tepkisinde de artış gözlemlenmiştir. Sensörün sıcaklığa bağlı tepkisellik ölçümlerinden elde edilen sonuçlardan, metan ve amonyak için farklı tepkisellik karakteri gösterdiği gözlemlenmiştir. ZnO sensörün ise aseton, etanol ve izopropanol'e duyarlılığı, bu gazların bilinmeyen yüksek derişimleri için test edilmiştir. Bu malzemelere duyarlı olduğu belirtilmiş ZnO için, literatür ile uyumlu sonuç elde edilmiştir.

Abstract:
This work covers such fabrication techniques; chemical (CVD) and physical vapor deposition (PVD), photolithography, plasma dry etching (ICP-RIE), anisotropic bulk silicon wet etching to develop michromachined metal oxide semiconductor based volatile organic compound (MOS-VOC) sensors and characterization of the fabricated devices. The integrated micro hot plate is fabricated on silicon substrate by using MEMS fabrication techniques. The hot plates in four different rezistor geometries, fabricated using nickel-chrome alloy and ITO as resistor material were thermally characterized. The metal oxide ZnO and SnO2 thin films which are sensitive to target gases were deposited by sputtering. The stuctures of the metal oxide thin films were investigeted by photoluminescence (PL) measuring system, x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscope (SEM). Thermal properties of the sensors were investigated by thermal microscope. Developed SnO2 sensor response was investigated for 500ppm, 1000ppm, 2000ppm concentrations of methane and ammonia in four different operating temperatures. It is observed that the response of the sensor increases as the concentration of the target gases increases. The temperature dependent responsivity characteristics of the sensor to methane and ammonia target gases found to be unique for each gas.  Additionally, ZnO sensor was investigated for its sensitivity to the unknown concentrations of the vapors of acetone, ethanol and isopropanol. The result were compatible with literature.