Effect of a platinum membrane on the sensing properties of gas sensors based on thin and thick tin dioxide films
Rôle d'éléments métalliques sur les mécanismes de détection d'un capteur de gaz à base de dioxyde d'étain. Application à l'amélioration de la sélectivité à l'aide d'une membrane de platine.
Abstract
A possible way to improve the selectivity of tin dioxide sensors is to deposit a membrane with specific properties above the sensing element. The purpose of this paper is to investigate the effect of a platinum membrane on the sensing properties of thin (chemical vapour deposition) and thick (screen-printing technology) SnO2 films under gases (air, diluted pollutant gases CO, CH4 or C2H5OH).
The measurement of the catalytic activity of Pt has been investigated. At above 500 °C, this metal is very efficient for the total oxidation of CO and C2H5OH, but CH4 does not react. As a consequence, it should be possible to develop a selective sensor to CH4 in presence of C2H5OH and CO as interfering gases. Firstly, we tried to correlate this catalytic activity to the sensing detection properties of the thin SnO2 film+Pt structure. The membrane strongly decreases the sensor response under alcohol, and does not affect the CH4 one, which is in agreement with catalytic tests. In CO's case, at high temperature (500 °C), although Pt is very efficient with regard to CO oxidation, it does not strongly decrease the sensor response. To explain this result, a mechanism based on the contact between Pt particles and thin SnO2 film is proposed. Hence, in order to decrease the CO's response, Pt membrane has to be insulated from SnO2 film. A new structure, thick SnO2 film+thick insulator coating (SiO2)+Pt, has been tested. A good correlation between catalytic tests and the effects on the sensor response is obtained. However, contrary to thin film device, a good correlation is also obtained in the thick SnO2 film+Pt structure when a contact between Pt and SnO2 is materialised. In thick-film structures, no insulator coating seems to be necessary.
The measurement of the catalytic activity of Pt has been investigated. At above 500 °C, this metal is very efficient for the total oxidation of CO and C2H5OH, but CH4 does not react. As a consequence, it should be possible to develop a selective sensor to CH4 in presence of C2H5OH and CO as interfering gases. Firstly, we tried to correlate this catalytic activity to the sensing detection properties of the thin SnO2 film+Pt structure. The membrane strongly decreases the sensor response under alcohol, and does not affect the CH4 one, which is in agreement with catalytic tests. In CO's case, at high temperature (500 °C), although Pt is very efficient with regard to CO oxidation, it does not strongly decrease the sensor response. To explain this result, a mechanism based on the contact between Pt particles and thin SnO2 film is proposed. Hence, in order to decrease the CO's response, Pt membrane has to be insulated from SnO2 film. A new structure, thick SnO2 film+thick insulator coating (SiO2)+Pt, has been tested. A good correlation between catalytic tests and the effects on the sensor response is obtained. However, contrary to thin film device, a good correlation is also obtained in the thick SnO2 film+Pt structure when a contact between Pt and SnO2 is materialised. In thick-film structures, no insulator coating seems to be necessary.
Ce travail est relatif au développement de microcapteurs de gaz sélectifs. De façon générale, ces dispositifs sont composés d'un oxyde semi-conducteur, le dioxyde d'étain, associé à deux électrodes métalliques. L'objectif de l'étude est double, d'une part, améliorer la sélectivité par dépôt de filtre catalytique métallique, et d'autre part mieux appréhender les interactions entre l'oxygène, les métaux qu'ils soient utilisés sous forme d'électrode ou de membrane et le dioxyde d'étain.
Le dépôt d'un film mince de platine sur une couche épaisse de 20 μm de dioxyde d'étain a permis d'améliorer la sélectivité du dispositif au CH4 en présence de C2H5OH et de CO. En revanche, lorsqu'il a été déposé à la surface d'une couche mince de 70 nm de dioxyde d'étain, le film mince de platine n'a pas rendu possible l'amélioration de la sélectivité du matériau sensible.
Par la suite, notre démarche a consisté à évaluer les propriétés physico-chimiques de chaque constituant du dispositif à savoir le dioxyde d'étain, le métal ou l'association des deux. Pour cela, nous avons fait appel à différentes techniques couramment utilisées pour la caractérisation des interactions gaz – solide telles que la catalyse, la calorimétrie ou la mesure électrique. Des effets de synergie entre le métal et l'oxyde vis-à-vis de l'adsorption et des effets électriques de l'oxygène gazeux ont pu être mis en évidence. Ces résultats ont été exploités pour proposer un mécanisme permettant d'expliciter les phénomènes électriques qui interviennent lors de la chimisorption d'oxygène à la surface d'un système regroupant le dioxyde d'étain et un métal. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux relatifs à l'influence de l'épaisseur du dioxyde d'étain sur les réponses électriques sous gaz réducteur des capteurs de gaz.
Le dépôt d'un film mince de platine sur une couche épaisse de 20 μm de dioxyde d'étain a permis d'améliorer la sélectivité du dispositif au CH4 en présence de C2H5OH et de CO. En revanche, lorsqu'il a été déposé à la surface d'une couche mince de 70 nm de dioxyde d'étain, le film mince de platine n'a pas rendu possible l'amélioration de la sélectivité du matériau sensible.
Par la suite, notre démarche a consisté à évaluer les propriétés physico-chimiques de chaque constituant du dispositif à savoir le dioxyde d'étain, le métal ou l'association des deux. Pour cela, nous avons fait appel à différentes techniques couramment utilisées pour la caractérisation des interactions gaz – solide telles que la catalyse, la calorimétrie ou la mesure électrique. Des effets de synergie entre le métal et l'oxyde vis-à-vis de l'adsorption et des effets électriques de l'oxygène gazeux ont pu être mis en évidence. Ces résultats ont été exploités pour proposer un mécanisme permettant d'expliciter les phénomènes électriques qui interviennent lors de la chimisorption d'oxygène à la surface d'un système regroupant le dioxyde d'étain et un métal. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux relatifs à l'influence de l'épaisseur du dioxyde d'étain sur les réponses électriques sous gaz réducteur des capteurs de gaz.
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