AbstractsEngineering

A Novel Sensor Concept for Selective and Self-Powered Gas Detection

by Martin W. Hoffmann




Institution: Universitat de Barcelona
Department:
Year: 2015
Keywords: Electrònica; Electrónica; Electronics; Detectors de gasos; Detectores de gases; Gas detectors; Ciències Experimentals i Matemàtiques
Record ID: 1129590
Full text PDF: http://hdl.handle.net/10803/285928


Abstract

Les tecnologies de sensors de gas basades en semiconductors presenten limitacions importants de selectivitat i consum d'energia. Per tant, esdevé necessari l’assaig de nous conceptes de dispositius capaços de satisfer aquests dos requeriments per aplicar-los en plataformes mòbils. En aquesta tesi es presenta una tecnologia de sensors altament selectiva i autònoms des d’un punt energètic, incloent la seva avaluació experimental i l’anàlisi dels mecanismes físico-químics de detecció subjacents. S´han fabricat materials nano-híbrids, basats en nanofils inorgànics (NWs), funcionalitzats amb monocapes “auto-acoblades” (SAMs). A la dissertació es mostren les extraordinàries característiques en termes de selectivitat i sensibilitat de gas que exhibeixen aquests materials; els estudis teòrics són consistents amb les observacions experimentals disponibles i permeten identificar l'estructura electrònica dels orbitals moleculars de frontera SAM, que és el paràmetre crucial per a garantir una interacció eficaç entre el sensor i els gasos. A més a més, es presenta un nou concepte de sensor autònom sobre la base d'una heteroestructura p-Si/n- ZnONW que respon exclusivament a la llum solar sense necessitar d’altres fonts d'energia externes. Els canvis de la tensió de circuit obert (alfa-Voc), que s’utilitzen per controlar la presència d'espècies de gasos, mostren una correlació directa amb la densitat de portadors de càrrega (Nd) al nanofil de n-ZnO. Finalment, es presenta l’aplicació de tècniques de microfabricació en el disseny d’un dispositiu que integra els conceptes de selectivitat i autonomia energètica, capaç per tant de detectar concentracions de NO2 rellevants per a aplicacions de seguretat (nivell de ppb) sense la necessitat de fonts d'energia externes. La mida compacta, la baixa demanda d'energia i la robustesa de la tecnologia fan que el concepte de sensor que aquí es presenta sigui molt prometedor per a la seva integració futura en plataformes electròniques mòbils.; Contemporary semiconductor based gas sensor technologies could already prove their high sensitive characteristics but exhibit crucial debilities in terms of target selectivity and power consumption. As both criteria have to be fulfilled for the application in mobile sensor platforms, new device concepts are needed. Within the here presented thesis the development of a highly selective and self-powered as well as experimental evaluations and analysis of the underlying sensing mechanisms are presented. First, hybrid nano materials are fabricated, based on inorganic nanowires (NWs) functionalized with self-assembled monolayers (SAMs), and show extraordinary characteristics in terms of gas selectivity and sensitivity. Theoretical mechanistic studies are consistent with the experimental observations and identify the electronic structure of the SAM frontier molecular orbitals as crucial parameter for efficient sensor-gas interactions. Furthermore, a novel self-powered sensor concept is presented based on a p-Si/n-ZnO NW…