Micro-sensores de gás de baixa potência usando um misto de nanopartículas de SnO2 e MWCNTs para detectar gases NO2,

NH3, e xileno para aplicações de rede ubíqua de sensores

Francine IaniskiTatiele Moro

Valnir de Paula

Prof. Dra. Marta Palma AlvesProf. Dra. Renata P. Raffin

Prof. Dra. Solange Binotto fagan

Introdução

• Há uma pesquisa ativa de redes ubíquas de sensores para monitorar os poluentes no ambiente.

• Sensores de gás são importantes neste tipo de rede de sensores– Baixo consumo de energia– Alta sensibilidade– Seletividade

• É necessário que a temperatura do ambiente seja controlada– O tempo de resposta para detecção dos gases ocorre de forma mais rápida

• Idealmente sensores seriam capazes de operar com baixo consumo de energia por alguns meses– Para aplicações portáteis em nodos de sensores ubíquos

Introdução

• Muitos materiais de sensoriamento estão sendo estudados– Ex: SnO2 e MWCNTs devido a suas geometrias especiais e características de

superfície.

• Neste artigo 4 tipos de micro-plataformas para micro-sensores de gás foram fabricadas com características de baixo consumo de energia.

Introdução

• Foi realizada uma comparação de sensoriamento de gases entre nanopartículas mistas de SnO2 e MWCNTs– A sensibilidade de gases NH3, NO2 e xileno, em função de suas

concentrações , foram medidas a 300 ºC no ar. – Foi investigada a dependênca de temperatura dos sensores

fabricados• Para determinar as melhores condições de sensoriamento e baixo

consumo de energia.

Introdução

7

• Fabricação de 4 micro-plataformas:

Procedimento Experimental

Características das plataformas:

Resistência do micro-aquecedor(Ω) Comprimento da membrana (μm)Comprimento do aquecedor (μm)Razão M / H

8

• Tipo 3: montado usando o pacote de TO-30;

• Tipo 4: eletrodo sensor, aquecedor, micro-área da membrana, e a área de aquecimento.

Procedimento Experimental

9

• Sensoriamento dos materiais para a detecção de gases tóxicos:

• Nanopartículas de SnO2 e MWC-NTs.

Procedimento Experimental

10

• Sistema de medição de gases tóxicos:• O sistema de detecção: resistor e capacitor.

• O micro-sensor de gás dentro de uma câmara de medição e as concentrações desejadas dos gases que foram injetados;

• As propriedades elétricas dos sensores foram medidas

Procedimento Experimental

11

• Diagrama do circuito simples: entre o nó A e C = 1V .

• O sinal de resistência variável foi medido usando um multímetro.

• Se o sensor de micro gás mostra o sinal de aumento do multímetro, a resistência variável deve mostrar que o sinal diminuiu relativamente.

Procedimento Experimental

12

• Configurações dos micro-sensores e sua relação com o consumo de energia de entrada:

Resultados

(a) a resistência inicial de micro-aquecedor(Ω), (b) comprimento da membrana (μm), (c) comprimento do aquecedor (μm),(d) razão M / H, e (e) o consumo de energia ( mW), a 300 ºC.

13

Características de detecção de gases NO2, NH3 e xileno:

• houve uma relação linear entre o consumo de energia e temperatura;

• O método de ajuste linear foi utilizado abaixo de 300 ºC

Procedimento Experimental

14

• Propriedades sensoras de gases NH3, NO2 e xileno com várias concentrações:

Resultados

15

Sensibilidade de medição do micro-sensor de gás para NO2

16

Sensibilidade de medição do micro-sensor de gás para NH3

17

Sensibilidade de medição do micro-sensor de gás para xileno

18

Houve uma maior sensibilidade ao gás NO2 do que os outros gases. Os resultados mostraram que o sensor de gás teve boa sensibilidade para o gás NO2 em baixas concentrações.

19

• A morfologia das NP de SnO2 misturadas com o MWCNTs foi observada por microscopia eletrônica de varredura (FESEM).

• A maioria dos MWCNTs são considerados incorporados nas partículas do SnO2

Resultados

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

• Na operação de alimentação do micro-sensor de gás foram medidas:– 1,2 ppm de NO2

– 60 ppm de NH3

– 3,6 ppm de xileno– Com temperatura na faixa de 180ºC a 380ºC.

20Linear, encaixam-se a 140ºC do tipo 3 (T3)

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

• O tempo de resposta define o tempo para que o sensor atingir o valor de saturação após a injeção de gás.

21

Propriedades de resposta das reações de gás entre (a) 180ºC e 300ºC, (b) 320ºC e 380ºC (resistência inicial, a resposta:MΩ, temperatura: ºC )

22

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

• R (gás) é a resistência dos materiais na presença de gases tóxicos;

• R (ar) é a resistência no ar, após eliminação do gás tóxico.

Cálculo da Sensibilidade:

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

• Outra parte importante desta investigação foi o de encontrar a temperatura específica para otimizar as propriedades de detecção.

• As tensões foram induzidos à micro-plataforma em 180ºC a 380ºC em intervalos de 0.2V em concentrações fixas: – 1,2 ppm de NO2

– 60 ppm de NH3

– 3,6 ppm o xileno23

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

24

Propriedades de resposta do sensor de gás fabricado como uma função da temperatura entre 180ºC e 300ºC para: (a) NO2 a 1,2 ppm, (b) 60 ppm de NH3,(c) 3,6 ppm gases xileno.

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

25

Propriedades de resposta do sensor de gás fabricado como uma função da temperatura entre 320ºC e 380ºC para:(a) 1,2 ppm para NO2, (b) 60 ppm de NH3, (c) 3,6 ppm gases xileno.

3.4. A dependência da temperatura nas propriedades de resposta

• Confirma-se que os sensores de gás fabricados foram otimizados para os gases NO2, NH3 e xileno a 220ºC.

• A sensibilidade aos gases NH3 e xileno aumentou com a diminuição da temperatura para 300ºC a 220ºC na faixa de até 100s.

26

4. Discussões

• O consumo de energia da micro-plataforma do T3 foi 47.6mW a 300ºC.

• O sensor T3 de micro-gás teve o maior índice M/H .• Os sensores de gás conseguiram detectar os gases

NO2, NH3 e xileno em baixas concentrações e mostrou alta sensibilidade para o gás NO2.

27

4. Discussões

• Nanopartículas de SnO2 foram misturadas com MWCNTs,– Primeiro: os MWCNTs reagem com vários gases,

permitindo a detecção de gases tóxicos, em baixas temperaturas;

– Segundo: os MWCNTs foram usados para aumentar a sensibidade dos micro-sensores de gás usando propriedades metálicas;

– Terceiro: os MWCNTs podem ser usados como materiais para aumentar a sensibilidade dos micro-sensores de gás, usando O2 funcionalidado ou tratamento UV.

28

4. Discussões

• O sensor de gás fabricado apresentou uma boa sensibilidade, mesmo com baixa temperatura de 220ºC.

• Nos materiais de detecção com a mistura de SnO2 e MWCNTs, os efeitos dos MWCNTs nas propriedade do sensoriamento de gás ainda serão investigadas a fundo.

29

5. Conclusões• As micro-plataformas fabricadas para sensores de gás mostraram

boa estabilidade térmica e durabilidade durante os experimentos;• O consumo de energia de micro-plataformas ficaram na faixa de

47.6mW através 58.2mW a 300ºC;• Micro-plataforma do tipo 3, mostra a maior eficiência de

isolamento térmico, com menor consumo de energia;• Os materiais sensores foram preparados com uma mistura de

nanopartículas de SnO2 e MWCNTs com veículos de polímero para formar pasta.

30

5. Conclusões• As maiores sensibilidades medidas com os

sensores de micro-gás fabricados para NO2, NH3, e gás xileno foram: – 1,06 a 1,2 ppm e 220 C para o NO2

– 0,19 a 60 ppm e 220 C, para o NH3

– 0,15 a 3,6 ppm e 220 C, para o gás xileno– 220ºC foi a melhor temperatura para a sensibilidade

31

5. Conclusões• O sensoriamento de materiais misturados com de

SnO2 e nanopartículas de MWCNTs mostrou boa sensibilidade e seletividade na operação de baixa potência.

• Os sensores de micro gás fabricados poderiam ser operados com potencia abaixo de 30mW a 220ºC, para que fosse possível aplicá-los como sensor ubíquo em aplicativos de rede para monitorar poluentes ambientais no ar.

32

33

Artigo relacionado (fator de impacto: 2.308)