СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКОВ ГАЗОВ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
METHOD OF MANUFACTURING OF SENSITIVE ELEMENT OF GAS SENSORS WITH CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к области изготовления газовых сенсоров и может быть использовано в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых сред.
Известен способ формирования чувствительных элементов сенсора из смеси фоточувствительной композиции в растворителе с частицами наполнителя. В качестве наполнителя используют моно- или полидисперсные порошки фуллеренов, сажи, графита, нанотрубок, наночастицы оксидов олова [1].
Согласно способу, описанному в [1], чувствительный элемент может быть изготовлен методом центрифугирования смеси раствора фоточувствительной композиции с частицами наполнителя с последующей термообработкой при температуре, не выше температуры деструкции полимерной матрицы. Чувствительный элемент представляет диэлектрическую полимерную матрицу, содержащую включения в виде порошков фуллеренов, сажи, графита, нанотрубок, наночастицы оксидов олова.
К недостаткам этого способа относится использование в качестве полимерной матрицы фоточувствительной композиции, что ограничивает диапазоны термических обработок чувствительного элемента.
2
2
2
2
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления нанокомпозита на основе SnO и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) для чувствительного элемента газовых датчиков, заключающийся в механическом перемешивании многостенных углеродных нанотрубок и наноразмерного порошка SnO с последующей термообработкой при температуре 550°С [2]. Использование механической смеси многостенных углеродных нанотрубок и порошка SnO повышает чувствительность композита в несколько раз по сравнению с чистым порошком SnO.
2
Ему, однако, присущ и ряд существенных недостатков: для изготовления композиционного материала необходим мелкодисперсный порошок высокочистого диоксида олова, имеющий высокую стоимость; необходима высокотемпературная обработка композита, требующая дополнительных затрат энергии и специального оборудования. Механическое перемешивание порошка SnO и многостенных углеродных нанотрубок обеспечивает только внешний контакт составных частей композита.
Изобретение направлено на повышение величины чувствительности и селективности сенсорного элемента.
2
Это достигается тем, что слой диоксида олова с многостенными углеродными нанотрубоками изготавливают нанесением пленкообразующего водно-спиртового раствора хлорида олова SnCl с нанотрубками, после чего нанесенный на изолирующую подложку чувствительный элемент подвергают сушке в течение 10 минут при температуре не менее 150°С с последующим стабилизирующим отжигом на воздухе в течение 30 минут при температуре не ниже 370°С. Кроме того, количество многостенных углеродных нанотрубок по отношению к диоксиду олова составляет 0,4-7 % вес.
x
x
Пример осуществления способа: раствор наносился на холодную изолирующую подложку, затем в течение 10 минут подсушивался при температуре 150°С, после чего в течение 30 минут отжигался при температуре не ниже 370°С для формирования нанокристаллической структуры SnO: МУНТ, в которой углеродные трубки могут находиться не только с внешней стороны кристаллов SnO, но и в их объеме.
Газовая чувствительность определялась как
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>g</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
B
где R - сопротивление пленки на воздухе;
г
R - сопротивление пленки в парах исследуемого вещества.
2
x
Известно, что пленки SnО без добавления МУНТ определяют наличие этанола, ацетона, пропанола в воздухе при температуре 260-350°С, и величина газовой чувствительности составляет 1,4-1,7. Для пленок нанокомпозитов SnO: МУНТ, с содержанием МУНТ 1,72% вес. пленка начинает чувствовать присутствие паров указанных веществ в воздухе при температуре 200-380°С, и величина газовой чувствительности составляет 8-17.
2
2
На рис.1, а приведены температурные зависимости газовой чувствительности пленок SnO к парам различных веществ с концентрацией 2000 ppm в воздухе, а на рис.1, б температурная зависимость газовой чувствительности пленок SnO: МУНТ (1,72% вес.) к парам различных веществ с концентрацией 2000 ppm в воздухе.
Технические преимущества заявленного способа изготовления полупроводникового чувствительного элемента состоят, в сравнении с прототипом, в повышении чувствительности сенсорного слоя к газам восстановителям в несколько раз, в простоте изготовления и нанесения сенсорного слоя на конструкцию датчика, в отсутствии органических добавок в составе сенсорного слоя, что позволяет расширить диапазон работы датчика до температуры 700°С. Кроме того, использование МУНТ повышает радиационную стойкость сенсорных элементов.
Источники информации
1. Патент РФ №2336548, G03F 7/16, опубл. 20.10.08.
3
2
2. Hieu N.V., Thuy L.Т.В., and Chien N.D. Highly sensitive thin film NH gas sensor operating at room temperature based on SnO/MWCNTs composite // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2008 - V. 129 - P. 888-895 (прототип).