University of Oulu

Gas response properties of metal oxide nanoparticle based sensors on MEMS microhotplate platforms

Saved in:
Author: Haapalainen, Tomi1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201509031953
Language: English
Published: Oulu : T. Haapalainen, 2015
Publish Date: 2015-09-08
Physical Description: 48 p.
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Lappalainen, Jyrki
Reviewer: Lappalainen, Jyrki
Kordas, Krisztian
Description:
This thesis concentrated on the analysis of the gas response properties of several metal oxide based gas sensors. A thin layer of chosen metal oxide was deposited on SGX Sensortech S.A. sensor platforms using pulsed laser deposition (PLD). Metal oxides used in the studies included tungsten trioxide (WO₃3), tin oxide zinc oxide (SnO₂-ZnO) and vanadium pentoxide (V₂O₅). The films were deposited at room temperature and various oxygen partial pressures, and were then post-annealed at 400 °C. Gas response measurements were done in two different temperatures and using several gases including nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO), hydrogen (H₂), and ammonia (NH₃). The concentration of the gases were varied during each measurement to probe the sensitivity of the sensors. Gas sensing performance of the sensors were evaluated based on material, selectivity toward different gases, and the effect of surface structure. Oxygen partial pressure during PLD had a clear impact on the structure of the oxide film. Higher pressure resulted in larger agglomerates of particles, which in general leads to lower gas sensitivity due to factors such as grain size and surface area-to-volume ratio. The measurements showed high responses to NOx for WO₃ and SnO₂-ZnO samples, as expected. Also, flipping of the response from low concentration to high concentration was observed for WO₃ and SnO₂-ZnO while V₂O₅ showed a mostly stable response.
see all

Tässä työssä analysoitiin useiden metallioksideihin perustuvien antureiden kaasuvasteita. Kaasuantureiden substraattina käytettiin SGX Sensortech S.A. valmistamia mikrolämmittimeen pohjautuvia MEMS-rakenteita. Substraatin päälle kasvatettiin ohut kerros valittuja metallioksideja, kuten volframioksidi (WO₃), tinaoksidin ja sinkkioksidin yhdiste (SnO₂-ZnO), ja vanadiumoksidi (V₂O₅). Kasvatusmenetelmänä käytettiin pulssilaserkasvatusta. Kasvatus tapahtui huoneenlämmössä ja useissa eri hapen osapaineissa. Kasvatuksen jälkeen anturit jälkihehkutettiin 400 °C lämpötilassa. Kaasuvastemittaukset suoritettiin kahdessa eri lämpötilassa usealle eri kaasulle, kuten typpioksideille (NOx), hiilimonoksidille (CO), vetykaasulle (H₂) ja ammoniakille (NH₃). Kaasun konsentraatiota vaihdeltiin mittausten aikana antureiden herkkyyden määrittämiseksi. Kaasuantureiden toimintakykyä arvioitiin materiaalin, selektiivisyyden ja oksidin pintarakenteen perusteella. Hapen osapaineella pulssilaserkasvatuksen aikana oli merkittävä vaikutus oksidikerroksen rakenteeseen. Suuremmassa paineessa kasvatetut kerrokset muodostivat suurempia partikkeleiden agglomeraatteja, mikä yleisesti ottaen johti heikompaan kaasuvasteeseen johtuen suuremmasta partikkelikoosta ja pienemmästä pinta-alan ja tilavuuden suhteesta. Mittauksissa nähtiin voimakkaita reaktioita typpioksidikaasuihin erityisesti SnO₂-ZnO ja WO₃ näytteiden osalta, kuten oli odotettavissa. SnO₂-ZnO ja WO₃ näytteillä oli myös havaittavissa kaasuvasteen suunnan muutos redusoivasta oksidoivaan kaasukonsentraation kasvaessa, kun taas V₂O₅5-näytteet käyttäytyivät enimmäkseen vakaasti.
see all

Subjects:
Copyright information: © Tomi Haapalainen, 2015. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.