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.

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1 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

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3 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

4 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

5 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.

6 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.

7 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

8 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.

9 Procedimento Experimental
Sensoriamento dos materiais para a detecção de gases tóxicos: Nanopartículas de SnO2 e MWC-NTs.

10 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

11 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.

12 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.

13 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

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

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 Resultados 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

20 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)

21 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 )

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:

23 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 xileno

24 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: NO2 a 1,2 ppm, 60 ppm de NH3, 3,6 ppm gases xileno.

25 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: 1,2 ppm para NO2, 60 ppm de NH3, 3,6 ppm gases xileno.

26 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.

27 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.

28 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.

29 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.

30 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.

31 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

32 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.

33 Artigo relacionado (fator de impacto: 2.308)