Gas sensors based on metal-oxide-semiconductors are predominantly used in numerous applications including monitoring indoor air quality and detecting harmful substances such as volatile organic compounds. Nanostructures, e.g., nanoparticles, nanotubes, nanodomes, or nanofibers, have been widely utilized to improve the gas sensing properties of metal-oxide-semiconductors by increasing the effective surface area participating in the surface reaction with target gas molecules. Recently, 1-dimensional (1D) metal oxide nanostructures fabricated using glancing angle deposition (GAD) method with e-beam evaporation have been widely employed to increase the surface-to-volume ratio significantly with large-area uniformity and reproducibility, leading to promising gas sensing properties. Herein, we provide a brief overview of 1D metal oxide nanostructures fabricated using GAD and their gas sensing properties in terms of fabrication methods, morphologies, and additives. Moreover, the gas sensing mechanisms and perspectives are presented.
A hydrogen sensor was fabricated by utilizing a bundle of metal oxide nanostructures whose growth positions were selectively controlled by utilizing graphene, which is a carbon of atomic-unit thickness. To verify the reducing ability of graphene, it was confirmed that the multi-composition metal oxide V2O5 was converted into VO2 on the graphene surface. Because of the role of graphene as a reducing catalyst, it was confirmed that ZnO and MoO3 nanostructures were grown at high density only on the graphene surface. The fabricated gas sensor showed excellent sensitivity.
This paper presents two ART-based neural networks for the identification of gas mixtures subject to the drift. A fuzzy ARTMAP neural network is used for classifying $H_2S$, $NH_3$ and their mixture gases including a reference gas. The other fuzzy ART neural network is utilized to detect the drift of a tin oxide gas sensor by tracking a cluster center of the reference gas. After detecting the drift, the previous cluster center of each gas is updated as much as the drift of the reference gas. By the simulations, the proposed method is shown to compensate the drift on-line without making many categories of target gases compared with the previous studies.
Micro-electronic gas sensor devices were developed for the detection of carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), ammonia (NH3), and formaldehyde (HCHO), as well as binary mixed-gas systems. Four gas sensing materials for different target gases, Pd-SnO2 for CO, In2O3 for NOx, Ru-WO3 for NH3, and SnO2-ZnO for HCHO, were synthesized using a sol-gel method, and sensor devices were then fabricated using a micro sensor platform. The gas sensing behavior and sensor response to the gas mixture were examined for six mixed gas systems using the experimental data in MEMS gas sensor arrays in sole gases and their mixtures. The gas sensing behavior with the mixed gas system suggests that specific adsorption and selective activation of the adsorption sites might occur in gas mixtures, and allow selectivity for the adsorption of a particular gas. The careful pattern recognition of sensing data obtained by the sensor array made it possible to distinguish a gas species from a gas mixture and to measure its concentration.
Light-activated metal oxide gas sensors have been investigated in recent decades. Light illumination enhances the sensing attributes, including the operational temperature, sensitivity, and selectivity. Unfortunately, high operating temperature is a major problem for gas sensors because of the huge energy consumption. Therefore, the importance of light-activated room-temperature sensing has increased. This paper reviews recent light-activated sensors and their sensing mechanisms with a specific focus on metal oxide gas sensors. Studies use the outstanding ZnO and SnO2 sensors to research photoactivation when illuminated by various sources such as ultraviolet (UV), halogen lamp, or monochromatic light. Photon induction generates electron-hole pairs that increase the number of adsorption sites of gas molecules and ions improving the sensor's sensing properties.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.26
no.12
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pp.882-887
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2013
We investigated a SiC-based hydrogen gas sensor with metal-insulator-semiconductor (MIS) structure for high temperature process monitoring and leak detection applications. The sensor was fabricated by Pd/$Ta_2O_5$/SiC structure, and a thin tantalum oxide ($Ta_2O_5$) layer was exploited with the purpose of sensitivity improvement, because tantalum oxide has good stability at high temperature as well as high permeability for hydrogen gas. In the experiment, dependence of I-V characteristics and capacitance response properties on hydrogen gas concentrations from 0 to 2,000 ppm was analyzed at room temperature to $500^{\circ}C$. As the result, our sensor exploiting a $Ta_2O_5$ dielectric layer showed possibilities with regard to use in hydrogen gas sensors for high-temperature applications.
Kim, Yoojong;Bak, So-Young;Lee, Jeongseok;Lee, Se-Hyeong;Woo, Kyoungwan;Lee, Sanghyun;Yi, Moonsuk
Journal of Sensor Science and Technology
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v.30
no.3
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pp.175-180
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2021
In this paper, methods for improving the sensitivity of gas sensors to NO2 gas are presented. A gas sensor was fabricated based on an SnO2 nanowire network using the vapor-phase-growth method. In the gas sensor, the Au electrode was replaced with a fluorinedoped tin oxide (FTO) electrode, to achieve high sensitivity at low temperatures and concentrations. The gas sensor with the FTO electrode was more sensitive to NO2 gas than the sensor with the Au electrode: notably, both sensors were based on typical SnO2 nanowire network. When the Au electrode was replaced by the FTO electrode, the sensitivity improved, as the contact resistance decreased and the surface-to-volume ratio increased. The morphological features of the fabricated gas sensor were characterized in detail via field-emission scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis.
Due to the recent public awareness of global warming and sustainable economic growth, there has been a growing interest in alternative clean energy sources. Hydrogen is considered as a clean fuel for the next generation. One of the technical challenges related to the use of hydrogen is safe monitoring of the hydrogen leak during separation, purification and transportation. For detecting various gases, chemiresistor-type gas sensors have been widely studied and used due to their well-established detection scheme and low cost. However, it is known that many of them have the limited sensitivity and slow response time, when used at low temperature conditions. In our work, a sensor based on Schottky barriers at the electrode/sensing material interface showed promising results that can be utilized for developing fast and highly sensitive gas sensors. Our hydrogen sensor was designed and fabricated based on indium oxide (In2O3)-doped tin oxide (SnO2) semiconductor nanoparticles with platinum (Pt) nanoclusters in combination with interdigitated electrodes. The sensor showed the sensitivity as high as $10^7%$ (Rair/Rgas) and the detection limit as low as 30 ppm. The sensor characteristics could be obtained via optimized materials synthesis route and sensor electrode design. Not only the contribution of electrical resistance from the film itself but also the interfacial effect was identified as an important factor that contribute significantly to the overall sensor characteristics. This promises the applicability of the developed sensor for monitoring hydrogen leak at room temperature.
Mirzaei, Ali;Bang, Jae Hoon;Kim, Sang Sub;Kim, Hyoun Woo
Journal of Sensor Science and Technology
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v.29
no.6
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pp.365-368
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2020
As a green and abundant source of energy, H2 has attracted the attention of researchers for use in different applications. Nevertheless, it is highly flammable, and because of its significantly small size, extreme attention is needed to detect its leakage. In this review, we discuss different effects of noble metals on the H2 gas response and performance of metal oxide-based gas sensors. In this regard, we discuss the effects of noble metals, in combination with metal oxides, on H2 gas detection. The catalytic activity towards H2 gas and the formation of heterojunctions with metal oxides are the main contributions of noble metals to the sensing improvement of H2 gas sensors. Furthermore, in the special case of Pd and somewhat Pt, the formation of PdHx and PtHx also affects the H2 sensing performance. This review paper provides useful information for researchers working in the field of H2 gas detection.
We present the detection characteristics of nitrogen monoxide(NO) gas using p-type copper oxide(CuO) thin film gas sensors. The CuO thin films were fabricated on glass substrates by a sol-gel spin coating method using copper acetate hydrate and diethanolamine as precursors. Structural characterizations revealed that we prepared the pure CuO thin films having a monoclinic crystalline structure without any obvious formation of secondary phase. It was found from the NO gas sensing measurements that the p-type CuO thin film gas sensors exhibited a maximum sensitivity to NO gas in dry air at an operating temperature as low as $100^{\circ}C$. Additionally, these CuO thin film gas sensors were found to show reversible and reliable electrical response to NO gas in a range of operating temperatures from $60^{\circ}C$ to $200^{\circ}C$. It is supposed from these results that the p-type oxide semiconductor CuO thin film could have significant potential for use in future gas sensors and other oxide electronics applications using oxide p-n heterojunction structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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