Design, fabrication and characterization of thick-film gas sensors
- Autores: Peter Tsolov
- Directores de la Tesis: Xavier Correig (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2005
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduard Llobet Valero (presid.), Jean-pierre Raskin (secret.), Jaromir Hubalek (voc.), Eduard Figueras Costa (voc.), Javier Gutiérrez (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Título: Diseño, fabricación y caracterización de sensores de capa gruesa Doctorando: Peter Tsolov Ivanov Director: Xavier Correig Blanchar Los sensores de gases de estado sólido han demostrado ser muy prometedores para supervisar la emisión de los agentes contaminadores en el aire, porque son una opción de bajo coste para la construcción de analizadores de gases. Algunos problemas se relacionados con este tipo de dispositivos, especialmente su baja selectividad y el alto consumo de energía, siguen sin resolver. El objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de nuevos sensores y matrices de sensores con mejorada selectividad y reducido consumo de energía.
La metodología usada en esta tesis consiste en fabricar matrices de sensores hechas de sensores con distintas selectividades. Como la respuesta del sensor es diferente en distintas temperaturas de trabajo y como los distintos dopantes o los filtros catalíticos aceleran o reducen la respuesta del sensor, los diferentes sensores dan diferentes reacciones. Combinando estas reacciones y con la ayuda de técnicas del reconocimiento de patrones, se pueden crear grupos de sensores capaces de distinguir entre distintos agentes contaminantes.
La tesis comienza repasando los métodos usados para la fabricación de los sensores de gases y discutiendo los problemas relacionados con la baja selectividad de los óxidos metálicos. Se especifican también los diferentes métodos para aumentar la selectividad.
Se introduce y se describe detalladamente la técnica de screen-printing. Los experimentos se realizaron con cuatro tipos de substratos de sensores (cerámica, silicio, microhotplate y silicon-on-insulator) y con más de 15 capas activas basadas en dióxido de estaño y trióxido de tungsteno (puras y dopadas con oro, platino, plata, titanio y paladio). Una amplia variedad de compuestos volátiles (amoníaco, etanol, acetona y benceno), de gases (monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, metano y sulfuro de PhD thesis of Peter Tsolov Ivanov Resumen de la tesis doctoral hidrógeno) y de algunas mezclas binarias ha sido medida. Los resultados obtenidos por los análisis cuantitativos y cualitativos de los gases estudiados con una matriz de sensores basada en cuatro sensores simples nos han llevado a descubrir el óptimo sensor/matriz para los distintos gases/mezclas binarias.
Los resultados demostraron que, con la ayuda de redes neuronales Fuzzy ARTMAP, es posible identificar y cuantificar simultáneamente los gases analizados usando solamente una matriz de microhotplates (cuatro sensores) con la misma capa activa. Los sensores de SnO2 y de WO3 dopados demostraron diversa respuesta a los agentes contaminantes probados. Componiendo cuidadosamente la matriz de sensores y definiendo bien la temperatura de trabajo podemos discriminar, con un alto grado de éxito, los diversos gases probados sin la necesidad de técnicas de reconocimiento de patrones.
La conclusión principal que se puede sacar de esta tesis es que las matrices de sensores, junto con las técnicas de reconocimiento de patrones, se pueden utilizar para aumentar perceptiblemente la selectividad de los sensores de óxidos metálicos. La simplicidad de los métodos propuestos permite su uso en el desarrollo de analizadores de gases más baratos y narices electrónicas portátiles.
A partir de la investigación realizada durante esta tesis doctoral se han elaborado 15 artículos publicados en revistas internacionales, 10 comunicaciones en las conferencias internacionales y 3 comunicaciones en conferencias españolas.
PhD thesis of Peter Tsolov Ivanov Resume of the doctoral thesis RESUME OF THE DOCTORAL THESIS Title: Design, Fabrication and Characterization of Thick-Film Gas Sensors Doctorate: Peter Tsolov Ivanov Director: Xavier Correig Blanchar Solid-state gas sensors have proved to be very promising for monitoring the emission of air pollutants because they are a low cost option for constructing gas analysers. Some problems associated to this approach, especially their deficient selectivity and high power consumption, remain unsolved. The aim of this doctoral thesis is to develop new sensors and sensor matrices that can improve the selectivity of metal oxide gas sensors and decrease their power consumption.
The methodology used here consists of creating sensor matrices made from sensors with different selectivities. As the sensor response is different at different working temperatures and as the different dopants or catalytic filters accelerate or reduce the sensor response, the different sensors give different reactions. If these reactions are combined, sensor groups capable of discriminating between different pollutants can be obtained with the help of pattern recognition techniques.
The thesis begins by reviewing the methods used for fabricating gas sensors and discussing the problems caused by the poor selectivity of metal oxide gas sensors and the methods for increasing their selectivity. Then, the screen-printing technique is introduced and described. The experiments were performed with four different types of gas sensor substrates (ceramic, silicon, microhotplate and silicon-on-insulator) and more than 15 active layers (undoped and doped with gold, platinum, silver, titanium and paladium tin dioxide and tungsten trioxide sensitive layers). A wide variety of volatile compounds (ammonia, ethanol, acetone and benzene), gases (carbon monoxide, nitrogen dioxide, methane and hydrogen sulphide) and some binary mixtures were measured. The results obtained from quantitative and qualitative gas analysis using the PhD thesis of Peter Tsolov Ivanov Resume of the doctoral thesis sensor response from a simple 4 sensor based matrix led to the optimal sensor/sensor matrix for gas/binary mixtures.
The results showed that, with the help of fuzzy ARTMAP neural networks, it is possible to identify and simultaneously quantify the gases analysed by using only one MHP-chip (four sensors) with the same active layer. The doped SnO2 and WO3 sensors showed different response to the tested pollutants. Composing carefully the sensor matrix and defining well the working temperature we were able to discriminate, with a high success rate, between the different test gases with no need for pattern recognition techniques.
The main conclusion that can be drawn from this thesis is that sensor matrices can be used, coupled to dynamic pattern recognition techniques, to significantly increase the selectivity of metal oxide sensors. The simplicity of the methods implemented makes them suitable for developing low-cost gas analysers and hand-held e-noses.
The research carried out during this doctoral thesis resulted in 15 articles being published in international journals, 10 communications at international conferences and 3 communications at a Spanish national conference.
PhD thesis of Peter Tsolov Ivanov Resumen de la tesis doctoral
