Titanium dioxide thin films were fabricated as hydrogen sensors and its sensing properties were tested. The titanium was deposited on a $SiO_2$/Si substrate by the DC magnetron sputtering method and was oxidized at an optimized temperature of $850^{\circ}C$ in air. The titanium film originally had smooth surface morphology, but the film agglomerated to nano-size grains when the temperature reached oxidation temperature where it formed titanium oxide with a rutile structure. The oxide thin film formed by grains of tens of nanometers size also showed many short cracks and voids between the grains. The response to 1% hydrogen gas was ${\sim}2{\times}10^6$ at the optimum sensing temperature of $200^{\circ}C$, and ${\sim}10^3$ at room temperature. This extremely high sensitivity of the thin film to hydrogen was due partly to the porous structure of the nano-sized sensing particles. Other sensor properties were also examined.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제10권4호
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pp.135-139
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2009
$H_2S$ micro-gas sensors have been developed employing $SnO_2$:CuO composite thin films. The films were prepared by e-beam evaporation of Sn and Cu metals on silicon substrates, followed by oxidation at high temperatures. Results of various studies, such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) reveal that $SnO_2$ and CuO are mutually non-reactive. The CuO grains, which in turn reside in the inter-granular regions of $SnO_2$, inhibit grain growth of $SnO_2$ as well as forming a network of p-n junctions. The film showed more than a 90% relative resistance change when exposed to $H_2S$ gas at 1 ppm in air at an operating temperature of $350^{\circ}C$ and had a short response time of 8 sec.
This paper presents the optical hydrogen sensor based on transparent 3C-SiC membrane and photovoltaic effect. Gasochromic materials of Pd and Pd/$WO_3$ were deposited by sputter on 3C-SiC membrane for gas sensing area. Gasochromic materials change to transparency by exposure to hydrogen. The variations of light intensity by hydrogen generate the photovoltaic of P-N junction between N-type 3C-SiC and P-type Si. Single layer of Pd shows higher photovoltaic compared with Pd/$WO_3$. However, phase transition from ${\alpha}$ to ${\beta}$ is shown at 6 %. Pd/$WO_3$ structure show the more linear response to hydrogen range of 2 % ~10 %. Also, almost 2 times fast response and recovery characteristics are shown at Pd/$WO_3$. These fast performances are come from the fact that Pd promoted the chemical reaction between hydrogen and $WO_3$.
Food safety has emerged as a growing concern for human health in recent times. Consuming contaminated food may lead to serious health problems, and therefore, a system for monitoring food freshness that is both non-detrimental to the quality of food and highly accurate is required to ensure that only high-quality fresh food packages are provided to the customers. This paper proposes a method to monitor and detect food quality using a compact smart sensor tag. The smart tag is composed of three ultra-low-power sensors, which monitor four major indicators of food freshness: temperature, humidity, and the concentrations of ammonia and hydrogen sulfide gases. An RF energy scavenging circuit is integrated into the smart sensor tag to harvest energy from radio waves at a high frequency of 13.56 MHz to supply sufficient power to the tag. Experimental results show that the proposed energy harvester can efficiently obtain energy at a distance of approximately 40 cm from a 4 W reader. In addition, the proposed smart sensor tag can operate without any battery, thereby eliminating the requirement of frequent battery replacement and consequently decreasing the cost. Meanwhile, the freshness of preserved pork is continuously monitored under two conditions--room temperature and refrigerator temperature--both of which are the most common temperatures under which food is generally stored. The food-monitoring experiments are conducted over a period of one week using the proposed battery-less tag. Based on the experimental results, the food assessment is classified into four categories: fresh, normal, low, and spoiled.
Gas sensor materials capable of detecting hydrogen gases (H$_2$) or nitrogen oxides (NO$\_$x/, primarily NO and NO$_2$) with high sensitivity have attracted much interest in conjunction with the growing concern to the protection of global environments. Beside conventional sensor materials, such as semiconductors., conducting polymers and solid electrolytes, the potential of sensor materials with a new method for detecting hydrogen gases or nitrogen oxides gas has also been tested. The breakdown voltage of porous varistors shifted to a low electric field upon exposure to H$_2$ gas, whereas it shifted to a reverse direction in an atmosphere containing oxidizing gases such as O$_3$ and NO$_2$ in the temperature range of 300 to 600$^{\circ}C$. Furthermore, it was found that the magnitude of the breakdown voltage shift, i. e. the magnitude of sensitivity, was well correlated with gas concentration, and that the H$_2$ sensitivity was improved by controlling the composition of the Bi$_2$O$_3$ rich grain boundary phase. However, NO$\_$x/ sensing properties of porous varistors have not been studies in detail. The objective of the present study is to investigate the effect of the composition of the Bi$_2$O$_3$ rich grain boundary phase and other additive such as A1$_2$O$_3$ on the hydrogen gases (H$_2$) sensing properties of porous ZnO based varistors.
In this study, a PbS quantum dots (QDs)-based H2 gas sensor with a Pd electrode was proposed. QDs have a size of several nanometers, and they can exhibit a high surface area when forming a thin film. In particular, the NH2 present in the ligand of PbS QDs and H2 gas are combined to form NH3+, subsequently the electrical characteristics of the QDs change. In addition to the resistance change owing to the reaction between Pd and H2 gas, the resistance change owing to the reaction between the NH2 of PbS QDs and H2 gas increases the current signal at the sensor output, which can produce a high output signal for the same concentration of H2 gas. Using the XRD and absorbance properties, the synthesis and particle size of the synthesized PbS QDs were analyzed. Using PbS QDs, the sensitivity was significantly improved by 44%. In addition, the proposed H2 gas sensor has high selectivity because it has low reactivity with heterogeneous gases such as C2H2, CO2, and CH4.
Humidity calibration for a temperature-stable quartz oscillator (TSQO) was investigated to exclude the influences of relative humidity on the TSQO output in order to use the corresponding devices outdoors. The TSQO output is a voltage that is inversely proportional to the electric impedance of the quartz oscillator, which depends on the viscosity and density of the measured gas. The TSQO output was humidity calibrated using its humidity dependence, which was obtained by varying the relative humidity (RH) from 0 to 100 RH% while other conditions were kept constant. The humidity dependencies of the TSQO output were fit by a linear function. Subtracting the change in the TSQO output induced by the change in humidity, calculated with the function from the experimentally measured TSQO output for a range of 0-100RH%, eliminated the influence of humidity on the TSQO output. The humidity calibration succeeded in reducing the fluctuations of the TSQO output from 0.4-3% to 0.1-0.3% of the average values for a range of 0-100RH%, at constant temperatures. The necessary stability of the TSQO output for application in hydrogen sensors was below one-third of the change observed for a hydrogen leakage of 1 vol.% hydrogen concentration, corresponding to 0.33% of the change in each background. Therefore, the results in this study indicate that the present humidity calibration effectively suppresses the influence of humidity, for the TSQO output for use as an outdoor hydrogen sensor.
Polymer-coated film SAW sensors have been fabricated and their sensing properties for toxic chemicals have been extensively investigated. Four types of the toxic chemical compounds of hydrogen cyanide(AC), carbonyl dichloride(CG), pinacolyl methylfluorophosphonate(GD), 2,2'-dichlorodiethylthio ether(HD) were used as target gases. SAW sensors using five different kinds of polymers were used to detect toxic chemicals and their gas sensing characteristics were investigated. The polymers used as the sensing materials were polyisobutylene(PIB), polyepichlorohydrin(PECH), polydimethylsiloxane(PDMS), polybutadiene(PBD) and polyisoprene(PIP). The recommendable mixing ratio of PIB, PECH, PDMS, PBD and PIP to solvents were 1:30, 1:40, 1:10, 1:30 and 1:30, respectively. The sensing characteristics of the SAW sensors were measured by using E-5061A network analyzer.
This paper introduced a novel multi-gas sensor detector with simple signal processing algorithm. This device was evaluated by investigating the characteristics of combustible materials using fire-generated smell and smoke. Plural sensors including TGS821, TGS2442, and TGS260X were equipped to detect carbon monoxide, hydrogen gas, and gaseous air contaminants which exist in cigarette smoke, respectively. Signal processing algorithm based on the difference of response times in fire-generated gases was implemented with early and accurately fire detection from multiple gas sensing signals. All fire experiments were performed in a virtual fire chamber. The cigarette, cotton fiber, hair, polyester fiber, nylon fiber, paper, and bread were used as a combustible material. This analyzing software and sensor controlling algorithm were embedded into 8-bit micro-controller. Also the detected multiple gas sensor signals were simultaneously transferred to the personnel computer. The results showed that the air pollution detecting sensor could be used as an efficient sensor for a fire detector which showed high sensitivity in volatile organic compounds. The proposed detecting algorithm may give more information to us compared to the conventional method for determining a threshold value. A fire detecting device with a multi-sensor is likely to be a practical and commercial technology, which can be used for domestic and office environment as well as has a comparatively low cost and high efficiency compared to the conventional device.
ZnWO4-WO3 hetero-composite microspheres were prepared by ultrasonic spray pyrolysis of a solution containing Zn and W cations, followed by heat treatment at 600℃. The gas-sensing characteristics of 5 at% of Zn-added WO3 (5Zn-WO3; ZnWO4-WO3 hetero-composite) microspheres to 1 ppm acetone, ethanol, 20 ppm hydrogen (H2), 5 ppm carbon monoxide (CO), 25 ppb toluene, and 5 ppm ammonia (NH3) were measured at 325-400℃ under 80% relative humidity (RH). The sensor using 5Zn-WO3 microspheres exhibited highly selective and sensitive gas-sensing properties to acetone at 375℃ even under high humidity conditions. These superior gas-sensing properties were attributed to the increased resistance (electronic sensitization) through n-n heterojunction formation between WO3 and ZnWO4 phases and the acidic property of WO3, which exhibited a low gas response to interfering ethanol gas. The superior acetone gas-sensing characteristics of the 5Zn-WO3 sensor can be utilized in breath acetone analyzers for rapid, real-time ketogenic diet monitoring.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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