Çinko oksit gaz sensörünün üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of zinc oxide gas sensor
Yazar: SEÇKİN AKINCI
Danışman: PROF. DR. EVREN TURAN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yarıiletken gaz sensörleri iç ve dış mekanlarda hava kalitesi belirlenmesinden, 
yanıcı veya zehirli gazların tespitine kadar birçok alanda yaygın olarak 
kullanılmaktadırlar. Çinko oksit tabanlı gaz sensörleri, hızlı yanıt, düşük algılama limiti, 
yüksek seçicilik ve güvenilir performans nedeniyle metal oksit gaz sensörleri içerisinde 
öne çıkmaktadır. Enerji verimliliği ve üretim maliyetleri gözetildiğinde mikrofabrikasyon 
yöntemleri ile üretilen gaz sensörleri büyük artılar ortaya koymaktadır. Aktif malzemenin
oksijen adzorbe etmesi sonucunda elektriksel direncinin değişimi prensibinden yola 
çıkılarak elde edilen bu sensörlerde, sensör malzemelerinin yapı ve boyutları yanı sıra 
sensör tasarımı ile minimum alana sığdırılabilecek aktif mikro yapılar sensör verimliliğini
etkileyen ana faktörlerden birisidir.
Bu çalışmada mikro fabrikasyon yöntemleri ile üretilen çinko oksit tabanlı 
yarıiletken gaz sensörlerinin, aynı mikrometre kare alan içerinde farkı elektrod mesafeleri 
ve tasarımları ile karbonmonoksit algılama performansları incelenmiştir. Aktif malzeme 
olarak kullanılan çinko oksit ince filmi DC saçtırma yöntemi ile pasivizasyon 
gerçekleştirilmiş silisyum alttaş üzerine kaplanarak SEM, EDS, Elipsometre ve XRD ile 
karakterize edilmiştir. Elektriksel bağlantı için krom üzerine altın elektrotlar dairesel, 
paralel ve karesel tasarımlar 600X600 mikrometre kare içeresinde tasarlanıp fotolitografi
yöntemi ile şekillendirilmiştir. Karbonmonoksit atmosferi altında yapılan elektriksel 
ölçümlerde elektrot arası mesafe ve tasarımlara bağlı olarak algılama hızı ve doyum süresi 
değişimleri incelenmiştir. 2 mikronluk elektrodlar ve mesafesi ile aynı birim alana sahip 
sensörler içerisinde en düşük direnç ve en hızlı doyum süresi elde edilmiştir.

Abstract:
Semiconductor gas sensors are widely used in many areas from indoor and outdoor 
air quality determination to the detection of flammable or toxic gases. Zinc oxide-based 
gas sensors stand out among metal oxide gas sensors due to their fast response, low 
detection limit, high selectivity, and reliable performance. When energy efficiency and 
production costs are considered, gas sensors produced with microfabrication methods 
display great advantages. In these sensors, which are obtained based on the principle of 
changing the electrical resistance as a result of the active material adsorbing oxygen. The 
structure and the dimensions of the sensor materials, as well as the active microstructures 
that can be fit into the minimum area with the sensor design, are the main factors effecting 
the sensor efficiency.
In this study, carbon monoxide detection performances of zinc oxide-based 
semiconductor gas sensors, which were produced by microfabrication methods with 
different electrode distances and designs under the same square micrometer area, were 
performed. As the active material, zinc oxide thin film was coated on a passivated silicon 
substrate by DC sputtering method. SEM, EDS, Ellipsometer, and XRD characterization
techniques were performed to analyze the ZnO thin films. For electrical connection, gold 
on chromium electrodes are designed in circular, parallel, and square designs within 
600x600 micrometer square and shaped by photolithography method. The effects of the 
distance between the electrodes and the designs were on detection rate and saturation time 
were investigated by electrical measurements under a carbon monoxide atmosphere. The 
lowest resistance and the fastest saturation time were obtained by the sensors which has 
2-micron electrode widths and the electrode gaps.