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 Ianiski
Tatiele Moro
Valnir de Paula
Prof. Dra. Marta Palma Alves
Prof. 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
Introdução
• 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.
Procedimento Experimental
•
Fabricação de 4 micro-plataformas:
Características das plataformas:
Resistência do micro-aquecedor(Ω)
Comprimento da membrana (μm)
Comprimento do aquecedor (μm)
Razão M / H
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Procedimento Experimental
• Tipo 3: montado usando o pacote
de TO-30;
• Tipo 4: eletrodo sensor,
aquecedor, micro-área da
membrana, e a área de
aquecimento.
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Procedimento Experimental
• Sensoriamento dos materiais para a detecção de gases
tóxicos:
• Nanopartículas de SnO2 e MWC-NTs.
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Procedimento Experimental
• 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
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Procedimento Experimental
• 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.
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Resultados
• Configurações dos micro-sensores e sua relação com o
consumo de energia de entrada:
(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.
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Procedimento Experimental
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
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Resultados
• Propriedades sensoras de gases NH3, NO2 e xileno com várias
concentrações:
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Sensibilidade de medição do micro-sensor de gás
para NO2
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Sensibilidade de medição do micro-sensor de gás
para NH3
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Sensibilidade de medição do micro-sensor de gás
para xileno
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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.
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Resultados
• A morfologia das NP de SnO2
misturadas com o MWCNTs foi
observada
por
microscopia
eletrônica de varredura (FESEM).
• A maioria dos MWCNTs
considerados incorporados
partículas do SnO2
são
nas
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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.
Linear, encaixam-se a 140ºC do tipo 3 (T3)
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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.
Propriedades de resposta das
reações de gás entre
(a) 180ºC e 300ºC,
(b) 320ºC e 380ºC
(resistência inicial, a
resposta:MΩ, temperatura: ºC )
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3.4. A dependência da temperatura
nas propriedades de resposta
Cálculo da Sensibilidade:
• R (gás) é a resistência dos materiais na
presença de gases tóxicos;
• R (ar) é a resistência no ar, após eliminação do
gás tóxico.
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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 microplataforma 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 xileno
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3.4. A dependência da temperatura
nas propriedades de resposta
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.
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3.4. A dependência da temperatura
nas propriedades de resposta
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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