• أول أكسيد الكربون في الأماكن المغلقة ثاني أكسيد الكربون الميثان الكلور وغيرها من أجهزة إنذار كاشف الغاز متعدد المعلمات

أول أكسيد الكربون في الأماكن المغلقة ثاني أكسيد الكربون الميثان الكلور وغيرها من أجهزة إنذار كاشف الغاز متعدد المعلمات

يكتسب تطوير أجهزة استشعار الغاز عالية الأداء والمحمولة والمصغرة اهتمامًا متزايدًا في مجالات المراقبة البيئية والأمن والتشخيص الطبي والزراعة.من بين أدوات الكشف المختلفة ، تعد مستشعرات الغاز المقاومة الكيميائية لأشباه الموصلات المعدنية (MOS) هي الخيار الأكثر شيوعًا للتطبيقات التجارية نظرًا لاستقرارها العالي وتكلفتها المنخفضة وحساسيتها العالية.واحدة من أهم الأساليب لتحسين أداء المستشعر هو إنشاء MOS متغايرة النانو (MOS غير متجانسة البنية) من المواد النانوية MOS.ومع ذلك ، فإن آلية الاستشعار لمستشعر MOS غير المتجانسة تختلف عن تلك الخاصة بمستشعر غاز MOS واحد ، لأنها معقدة للغاية.يتأثر أداء المستشعر بمعلمات مختلفة ، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة الحساسة (مثل حجم الحبيبات وكثافة الخلل وشواغر الأكسجين في المواد) ودرجة حرارة التشغيل وبنية الجهاز.تقدم هذه المراجعة عدة مفاهيم لتصميم مستشعرات الغاز عالية الأداء من خلال تحليل آلية الاستشعار لمستشعرات MOS غير المتجانسة ذات البنية النانوية.بالإضافة إلى ذلك ، تمت مناقشة تأثير الهيكل الهندسي للجهاز ، الذي تحدده العلاقة بين المادة الحساسة والقطب الكهربي العامل.لدراسة سلوك المستشعر بشكل منهجي ، تقدم هذه المقالة وتناقش الآلية العامة للإدراك لثلاثة هياكل هندسية نموذجية للأجهزة بناءً على مختلف المواد غير المتجانسة.ستكون هذه النظرة العامة بمثابة دليل للقراء المستقبليين الذين يدرسون الآليات الحساسة لأجهزة استشعار الغاز ويطورون مستشعرات غاز عالية الأداء.
يعد تلوث الهواء مشكلة خطيرة بشكل متزايد ومشكلة بيئية عالمية خطيرة تهدد رفاهية الناس والكائنات الحية.استنشاق الملوثات الغازية يمكن أن يسبب العديد من المشاكل الصحية مثل أمراض الجهاز التنفسي وسرطان الرئة وسرطان الدم وحتى الموت المبكر 1،2،3،4.من عام 2012 إلى عام 2016 ، تم الإبلاغ عن وفاة ملايين الأشخاص بسبب تلوث الهواء ، وفي كل عام ، تعرض مليارات الأشخاص لسوء جودة الهواء 5.لذلك ، من المهم تطوير مستشعرات الغاز المحمولة والمصغرة التي يمكن أن توفر ردود فعل في الوقت الحقيقي وأداء كشف عالي (على سبيل المثال ، الحساسية والانتقائية والاستقرار وأوقات الاستجابة والاسترداد).بالإضافة إلى المراقبة البيئية ، تلعب مستشعرات الغاز دورًا حيويًا في السلامة 6،7،8 والتشخيص الطبي 9،10 وتربية الأحياء المائية 11 وغيرها من المجالات.
حتى الآن ، تم تقديم العديد من مستشعرات الغاز المحمولة التي تعتمد على آليات الاستشعار المختلفة ، مثل البصري 13،14،15،16،17،18 ، الكهروكيميائية 19،20،21،22 وأجهزة استشعار المقاومة الكيميائية.من بينها ، تعد مستشعرات المقاومة الكيميائية لأشباه الموصلات المعدنية (MOS) هي الأكثر شيوعًا في التطبيقات التجارية نظرًا لاستقرارها العالي وتكلفتها المنخفضة.يمكن تحديد تركيز المادة الملوثة ببساطة عن طريق اكتشاف التغيير في مقاومة MOS.في أوائل الستينيات ، تم الإبلاغ عن أول مستشعرات غاز مقاومة كيميائية تعتمد على أغشية ZnO الرقيقة ، مما أدى إلى اهتمام كبير في مجال اكتشاف الغاز.اليوم ، يتم استخدام العديد من MOS المختلفة كمواد حساسة للغاز ، ويمكن تقسيمها إلى فئتين بناءً على خصائصها الفيزيائية: n من النوع MOS مع الإلكترونات كأغلبية حاملات الشحنة و MOS من النوع p مع ثقوب كحاملات شحن الأغلبية.حاملات الشحنة.بشكل عام ، يعد MOS من النوع p أقل شيوعًا من MOS من النوع n لأن الاستجابة الاستقرائية من النوع p MOS (Sp) تتناسب مع الجذر التربيعي للنوع n من النوع MOS (\ (S_p = \ sqrt { S_n} \)) في نفس الافتراضات (على سبيل المثال ، نفس البنية المورفولوجية ونفس التغيير في انحناء العصابات في الهواء) 29،30.ومع ذلك ، لا تزال مستشعرات MOS أحادية القاعدة تواجه مشكلات مثل عدم كفاية حد الكشف ، وانخفاض الحساسية والانتقائية في التطبيقات العملية.يمكن معالجة قضايا الانتقائية إلى حد ما عن طريق إنشاء مصفوفات من المستشعرات (تسمى "الأنوف الإلكترونية") ودمج خوارزميات التحليل الحسابي مثل تكميم ناقلات التدريب (LVQ) ، وتحليل المكونات الرئيسية (PCA) ، وتحليل المربعات الصغرى الجزئية (PLS) ، 32 ، 33 ، 34 ، 35. بالإضافة إلى ذلك ، إنتاج MOS منخفضة الأبعاد 32،36،37،38،39 (على سبيل المثال المواد النانوية أحادية البعد (1D) ، 0D و 2D) ، وكذلك استخدام المواد النانوية الأخرى ( على سبيل المثال MOS40،41،42 ، الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة (NPs)) 43،44 ، المواد النانوية الكربونية 45،46 والبوليمرات الموصلة 47،48) لإنشاء تقاطعات غير متجانسة النانوية (على سبيل المثال ، MOS غير المتجانسة) هي طرق مفضلة أخرى لحل المشكلات المذكورة أعلاه.مقارنة بأفلام MOS السميكة التقليدية ، يمكن أن توفر MOS منخفضة الأبعاد مع مساحة سطح محددة عالية مواقع أكثر نشاطًا لامتصاص الغاز وتسهيل انتشار الغاز.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي تصميم الهياكل المتجانسة القائمة على MOS إلى زيادة ضبط نقل الناقل في الواجهة غير المتجانسة ، مما يؤدي إلى تغييرات كبيرة في المقاومة بسبب وظائف التشغيل المختلفة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض التأثيرات الكيميائية (على سبيل المثال ، النشاط التحفيزي والتفاعلات السطحية التآزرية) التي تحدث في تصميم الهياكل المتجانسة MOS يمكن أيضًا تحسين أداء المستشعر. أداء المستشعر ، تستخدم مستشعرات المقاومة الكيميائية الحديثة عادةً التجربة والخطأ ، وهي تستغرق وقتًا طويلاً وغير فعالة.لذلك ، من المهم فهم آلية الاستشعار لأجهزة استشعار الغاز القائمة على MOS لأنها يمكن أن توجه تصميم أجهزة استشعار الاتجاه عالية الأداء.
في السنوات الأخيرة ، تطورت مستشعرات الغاز MOS بسرعة وتم نشر بعض التقارير عن الهياكل النانوية MOS 55،56،57 ، مستشعرات غاز درجة حرارة الغرفة 58،59 ، مواد مستشعر MOS الخاصة 60،61،62 ومستشعرات الغاز المتخصصة.تركز ورقة مراجعة في مراجعات أخرى على توضيح آلية الاستشعار لأجهزة استشعار الغاز بناءً على الخصائص الفيزيائية والكيميائية الجوهرية لـ MOS ، بما في ذلك دور وظائف الأكسجين 64 ، ودور الهياكل المتجانسة 55 ، 65 ونقل الشحنة في واجهات غير متجانسة 66. بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر العديد من المعلمات الأخرى على أداء المستشعر ، بما في ذلك البنية غير المتجانسة ، وحجم الحبوب ، ودرجة حرارة التشغيل ، وكثافة الخلل ، والوظائف الشاغرة للأكسجين ، وحتى الطائرات البلورية المفتوحة للمواد الحساسة 25،67،68،69،70،71.72 ، 73. ومع ذلك ، فإن الهيكل الهندسي (نادرًا ما يذكر) للجهاز ، والذي تحدده العلاقة بين مادة الاستشعار والقطب الكهربي العامل ، يؤثر أيضًا بشكل كبير على حساسية المستشعر (انظر القسم 3 لمزيد من التفاصيل) .على سبيل المثال ، Kumar et al.أبلغ 77 عن جهازي استشعار للغاز يعتمدان على نفس المادة (على سبيل المثال ، مستشعرات غاز ثنائية الطبقة تعتمد على TiO2 @ NiO و NiO @ TiO2) ولاحظت تغيرات مختلفة في مقاومة غاز NH3 بسبب الأشكال الهندسية المختلفة للجهاز.لذلك ، عند تحليل آلية استشعار الغاز ، من المهم مراعاة هيكل الجهاز.في هذه المراجعة ، يركز المؤلفون على آليات الكشف القائمة على MOS لمختلف الهياكل النانوية غير المتجانسة وهياكل الأجهزة.نعتقد أن هذه المراجعة يمكن أن تكون بمثابة دليل للقراء الراغبين في فهم وتحليل آليات الكشف عن الغاز ويمكن أن تسهم في تطوير أجهزة استشعار الغاز عالية الأداء في المستقبل.
على التين.يوضح الشكل 1 أ النموذج الأساسي لآلية استشعار الغاز بناءً على MOS واحد.مع ارتفاع درجة الحرارة ، فإن امتصاص جزيئات الأكسجين (O2) على سطح MOS سوف يجذب الإلكترونات من MOS ويشكل أنواعًا أنيونية (مثل O2- و O-).بعد ذلك ، يتم تشكيل طبقة استنفاد الإلكترون (EDL) لـ MOS من النوع n أو طبقة تراكم الفتحة (HAL) لـ MOS من النوع p على سطح MOS 15 ، 23 ، 78. التفاعل بين O2 و يتسبب MOS في انحناء نطاق التوصيل الخاص بسطح MOS للأعلى وتشكيل حاجز محتمل.بعد ذلك ، عندما يتعرض المستشعر للغاز المستهدف ، يتفاعل الغاز الممتص على سطح MOS مع أنواع الأكسجين الأيوني ، إما بجذب الإلكترونات (غاز مؤكسد) أو التبرع بالإلكترونات (تقليل الغاز).يمكن أن يؤدي نقل الإلكترون بين الغاز المستهدف و MOS إلى ضبط عرض EDL أو HAL30،81 مما يؤدي إلى تغيير في المقاومة الإجمالية لمستشعر MOS.على سبيل المثال ، بالنسبة للغاز المختزل ، سيتم نقل الإلكترونات من الغاز المختزل إلى النوع n من MOS ، مما يؤدي إلى انخفاض EDL ومقاومة أقل ، والتي يشار إليها باسم سلوك المستشعر من النوع n.في المقابل ، عندما يتعرض MOS من النوع p لغاز مختزل يحدد سلوك حساسية النوع p ، يتقلص HAL وتزداد المقاومة بسبب التبرع بالإلكترون.بالنسبة للغازات المؤكسدة ، تكون استجابة المستشعر معاكسة لاستجابة تقليل الغازات.
آليات الكشف الأساسية عن MOS من النوع n و p-type لتقليل الغازات المؤكسدة b العوامل الرئيسية والخصائص الفيزيائية والكيميائية أو خصائص المواد التي تدخل في مجسات الغاز شبه الموصلة 89
بصرف النظر عن آلية الكشف الأساسية ، فإن آليات الكشف عن الغاز المستخدمة في أجهزة استشعار الغاز العملية معقدة للغاية.على سبيل المثال ، يجب أن يفي الاستخدام الفعلي لمستشعر الغاز بالعديد من المتطلبات (مثل الحساسية والانتقائية والثبات) حسب احتياجات المستخدم.ترتبط هذه المتطلبات ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة الحساسة.على سبيل المثال ، أظهر Xu et al.71 أن المستشعرات القائمة على SnO2 تحقق أعلى حساسية عندما يكون قطر البلورة (d) مساويًا أو أقل من ضعف طول Debye (λD) لـ SnO271.عندما يكون d ≤ 2λD ، يتم استنفاد SnO2 تمامًا بعد امتزاز جزيئات O2 ، وتكون استجابة المستشعر للغاز المختزل بحد أقصى.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤثر العديد من المعلمات الأخرى على أداء المستشعر ، بما في ذلك درجة حرارة التشغيل والعيوب البلورية وحتى المستويات الكريستالية المكشوفة لمواد الاستشعار.على وجه الخصوص ، يتم تفسير تأثير درجة حرارة التشغيل من خلال المنافسة المحتملة بين معدلات الامتزاز وامتصاص الغاز المستهدف ، وكذلك التفاعل السطحي بين جزيئات الغاز الممتصة وجزيئات الأكسجين.يرتبط تأثير العيوب البلورية ارتباطًا وثيقًا بمحتوى شواغر الأكسجين [83 ، 84].يمكن أن يتأثر تشغيل المستشعر أيضًا بالتفاعلات المختلفة للوجوه البلورية المفتوحة 67،85،86،87.تكشف الطائرات البلورية المفتوحة ذات الكثافة المنخفضة عن المزيد من الكاتيونات المعدنية غير المنسقة ذات الطاقات الأعلى ، والتي تعزز امتصاص السطح والتفاعلية.يسرد الجدول 1 العديد من العوامل الرئيسية والآليات الإدراكية المحسنة المرتبطة بها.لذلك ، من خلال ضبط معلمات المواد هذه ، يمكن تحسين أداء الكشف ، ومن الأهمية بمكان تحديد العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء المستشعر.
أجرى Yamazoe89 و Shimanoe وآخرون 68،71 عددًا من الدراسات حول الآلية النظرية لإدراك المستشعر واقترحوا ثلاثة عوامل رئيسية مستقلة تؤثر على أداء المستشعر ، وتحديداً وظيفة المستقبل ووظيفة محول الطاقة والمنفعة (الشكل 1 ب)..تشير وظيفة المستقبل إلى قدرة سطح MOS على التفاعل مع جزيئات الغاز.ترتبط هذه الوظيفة ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الكيميائية لـ MOS ويمكن تحسينها بشكل كبير عن طريق إدخال مستقبلات أجنبية (على سبيل المثال ، NPs المعدنية و MOS الأخرى).تشير وظيفة محول الطاقة إلى القدرة على تحويل التفاعل بين الغاز وسطح MOS إلى إشارة كهربائية تهيمن عليها حدود الحبوب في MOS.وبالتالي ، تتأثر الوظيفة الحسية بشكل كبير بحجم جسيم MOC وكثافة المستقبلات الأجنبية.أفاد Katoch وآخرون 90 أن تقليل حجم الحبوب من الألياف النانوية ZnO-SnO2 أدى إلى تكوين العديد من الوصلات غير المتجانسة وزيادة حساسية المستشعر ، بما يتوافق مع وظائف محول الطاقة.قارن وانج وزملاؤه 91 أحجام الحبوب المختلفة من Zn2GeO4 وأظهروا زيادة قدرها 6.5 ضعف في حساسية المستشعر بعد إدخال حدود الحبوب.المنفعة هي عامل أداء حساس رئيسي آخر يصف مدى توفر الغاز لهيكل MOS الداخلي.إذا لم تتمكن جزيئات الغاز من الاختراق والتفاعل مع MOS الداخلية ، فسيتم تقليل حساسية المستشعر.ترتبط الفائدة ارتباطًا وثيقًا بعمق انتشار غاز معين ، والذي يعتمد على حجم مسام مادة الاستشعار.ساكاي وآخرون.قام 92 بنمذجة حساسية المستشعر لغازات المداخن ووجد أن كلاً من الوزن الجزيئي للغاز ونصف قطر مسام غشاء المستشعر يؤثران على حساسية المستشعر في أعماق مختلفة لانتشار الغاز في غشاء المستشعر.توضح المناقشة أعلاه أنه يمكن تطوير مستشعرات الغاز عالية الأداء من خلال موازنة وتحسين وظيفة المستقبل ووظيفة محول الطاقة والمنفعة.
يوضح العمل أعلاه آلية الإدراك الأساسية لنظام MOS واحد ويناقش العديد من العوامل التي تؤثر على أداء MOS.بالإضافة إلى هذه العوامل ، يمكن لأجهزة استشعار الغاز القائمة على الهياكل غير المتجانسة تحسين أداء المستشعر من خلال تحسين وظائف المستشعر والمستقبلات بشكل كبير.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للهياكل غير المتجانسة أن تحسن أداء المستشعر من خلال تعزيز التفاعلات التحفيزية ، وتنظيم نقل الشحنة ، وإنشاء المزيد من مواقع الامتزاز.حتى الآن ، تمت دراسة العديد من مستشعرات الغاز القائمة على هياكل MOS غير المتجانسة لمناقشة آليات الاستشعار المعزز.ميلر وآخرون.55 لخص العديد من الآليات التي من المحتمل أن تحسن حساسية الهياكل المتجانسة غير المتجانسة ، بما في ذلك المعتمدة على السطح ، والمعتمدة على الواجهة ، والمعتمدة على البنية.من بينها ، تعد آلية التضخيم المعتمدة على الواجهة معقدة للغاية بحيث لا تغطي جميع تفاعلات الواجهة في نظرية واحدة ، حيث يمكن استخدام أجهزة استشعار مختلفة تعتمد على مواد غير متجانسة البنية (على سبيل المثال ، nn-unterogunction ، pn-unterojunction ، pp-unterojunction ، إلخ) يمكن استخدامها .عقدة شوتكي).عادةً ما تشتمل المستشعرات غير المتجانسة القائمة على MOS دائمًا على آليتين أو أكثر من آليات الاستشعار المتقدمة 98 ، 99 ، 100.يمكن أن يؤدي التأثير التآزري لآليات التضخيم هذه إلى تعزيز استقبال إشارات المستشعرات ومعالجتها.وبالتالي ، فإن فهم آلية إدراك المستشعرات بناءً على مواد ذات بنية نانوية غير متجانسة أمر بالغ الأهمية لمساعدة الباحثين على تطوير مستشعرات الغاز من أسفل إلى أعلى وفقًا لاحتياجاتهم.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤثر الهيكل الهندسي للجهاز أيضًا بشكل كبير على حساسية المستشعر 74 ، 75 ، 76. من أجل التحليل المنهجي لسلوك المستشعر ، سيتم تقديم آليات الاستشعار لثلاثة هياكل للأجهزة بناءً على مواد مختلفة غير متجانسة. وتناقش أدناه.
مع التطور السريع لأجهزة استشعار الغاز القائمة على MOS ، تم اقتراح العديد من MOS غير المتجانسة النانوية.يعتمد نقل الشحنة على الواجهة غير المتجانسة على مستويات فيرمي (Ef) المختلفة للمكونات.في الواجهة غير المتجانسة ، تتحرك الإلكترونات من جانب مع Ef أكبر إلى الجانب الآخر مع Ef أصغر حتى تصل مستويات Fermi إلى التوازن ، والثقوب ، بالعكس.ثم يتم استنفاد المواد الحاملة في الواجهة غير المتجانسة وتشكل طبقة مستنفدة.بمجرد تعرض المستشعر للغاز المستهدف ، يتغير تركيز حامل MOS غير المتجانسة ، كما يتغير ارتفاع الحاجز ، وبالتالي يعزز إشارة الكشف.بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي الطرق المختلفة لتصنيع الهياكل المتجانسة إلى علاقات مختلفة بين المواد والأقطاب الكهربائية ، مما يؤدي إلى أشكال هندسية مختلفة للأجهزة وآليات استشعار مختلفة.في هذا الاستعراض ، نقترح ثلاثة هياكل للأجهزة الهندسية ونناقش آلية الاستشعار لكل هيكل.
على الرغم من أن التداخلات غير المتجانسة تلعب دورًا مهمًا للغاية في أداء الكشف عن الغاز ، إلا أن هندسة الجهاز للمستشعر بالكامل يمكن أن تؤثر أيضًا بشكل كبير على سلوك الكشف ، نظرًا لأن موقع قناة توصيل المستشعر يعتمد بشكل كبير على هندسة الجهاز.تتم هنا مناقشة ثلاثة أشكال هندسية نموذجية لأجهزة MOS غير المتجانسة ، كما هو موضح في الشكل 2. في النوع الأول ، يتم توزيع وصلتي MOS بشكل عشوائي بين قطبين ، ويتم تحديد موقع القناة الموصلة بواسطة MOS الرئيسي ، والثاني هو تشكيل هياكل نانوية غير متجانسة من MOS مختلفة ، في حين أن MOS واحد فقط متصل بالإلكترود.يتم توصيل القطب الكهربي ، ثم عادة ما توجد القناة الموصلة داخل MOS ويتم توصيلها مباشرة بالقطب الكهربي.في النوع الثالث ، يتم توصيل مادتين بقطبين كهربائيين بشكل منفصل ، لتوجيه الجهاز من خلال وصلة غير متجانسة تتشكل بين المادتين.
تشير الواصلة بين المركبات (مثل "SnO2-NiO") إلى أن المكونين مختلطان ببساطة (النوع الأول).تشير علامة "@" بين توصيلتين (على سبيل المثال "SnO2 @ NiO") إلى أن مادة السقالة (NiO) مزينة بـ SnO2 لهيكل مستشعر من النوع II.تشير الشرطة المائلة (مثل "NiO / SnO2") إلى تصميم مستشعر من النوع الثالث.
بالنسبة لأجهزة استشعار الغاز القائمة على مركبات MOS ، يتم توزيع عنصري MOS بشكل عشوائي بين الأقطاب الكهربائية.تم تطوير العديد من طرق التصنيع لتحضير مركبات MOS ، بما في ذلك سول-جل ، والترسيب المشترك ، والحرارية المائية ، والغزل الكهربائي ، وطرق الخلط الميكانيكي 98 ، 102 ، 103 ، 104.في الآونة الأخيرة ، تم استخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs) ، وهي فئة من المواد الهيكلية البلورية المسامية المكونة من مراكز معدنية وروابط عضوية ، كقوالب لتصنيع مركبات MOS المسامية.تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن النسبة المئوية لمركبات MOS هي نفسها ، إلا أن خصائص الحساسية يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا عند استخدام عمليات تصنيع مختلفة. 109،110 على سبيل المثال ، قام Gao et al. 109 بتصنيع مستشعرين بناءً على مركبات MoO3 ± SnO2 بنفس النسبة الذرية (Mo: Sn = 1: 1.9) ووجدت أن طرق التصنيع المختلفة تؤدي إلى حساسيات مختلفة.شابوشنيك وآخرون110 ذكرت أن تفاعل SnO2-TiO2 المترسب المشترك مع غاز H2 يختلف عن تفاعل المواد المختلطة ميكانيكيًا ، حتى عند نفس نسبة Sn / Ti.ينشأ هذا الاختلاف لأن العلاقة بين حجم بلوري MOP و MOP تختلف باختلاف طرق التوليف.عندما يكون حجم الحبيبات وشكلها متسقين من حيث كثافة المتبرع ونوع أشباه الموصلات ، يجب أن تظل الاستجابة كما هي إذا لم تتغير هندسة التلامس 110.Staerz et al.ذكرت 111 أن خصائص الكشف عن الألياف النانوية للغلاف الأساسي SnO2-Cr2O3 والأرضية SnO2-Cr2O3 CSN كانت متطابقة تقريبًا ، مما يشير إلى أن مورفولوجيا الألياف النانوية لا تقدم أي ميزة.
بالإضافة إلى طرق التصنيع المختلفة ، فإن أنواع أشباه الموصلات لاثنين من MOSFETs المختلفة تؤثر أيضًا على حساسية المستشعر.يمكن تقسيمها أيضًا إلى فئتين اعتمادًا على ما إذا كانت وحدات MOSFET من نفس النوع من أشباه الموصلات (تقاطع nn أو pp) أو أنواع مختلفة (تقاطع pn).عندما تعتمد مستشعرات الغاز على مركبات MOS من نفس النوع ، عن طريق تغيير النسبة المولية لاثنين من MOS ، تظل خاصية استجابة الحساسية دون تغيير ، وتختلف حساسية المستشعر اعتمادًا على عدد nn- أو pp-غير المتجانسة.عندما يسود أحد المكونات في المركب (على سبيل المثال 0.9 ZnO-0.1 SnO2 أو 0.1 ZnO-0.9 SnO2) ، يتم تحديد قناة التوصيل بواسطة MOS السائدة ، تسمى قناة التوصيل المتجانسة 92.عندما تكون نسب المكونين قابلة للمقارنة ، يُفترض أن قناة التوصيل يسيطر عليها التقاطع غير المتجانس 98،102.يامازوي وآخرونذكرت 112،113 أن منطقة التلامس غير المتجانسة للمكونين يمكن أن تحسن بشكل كبير من حساسية المستشعر لأن حاجز غير متجانسة يتكون بسبب وظائف التشغيل المختلفة للمكونات يمكن أن يتحكم بشكل فعال في حركة انجراف المستشعر المعرض للإلكترونات.غازات محيطة مختلفة 112113.على التين.يوضح الشكل 3 أ أن المستشعرات القائمة على الهياكل الهرمية الليفية SnO2-ZnO بمحتويات مختلفة من ZnO (من 0 إلى 10 mol ٪ Zn) يمكنها اكتشاف الإيثانول بشكل انتقائي.من بينها ، أظهر المستشعر المعتمد على ألياف SnO2-ZnO (7 مول.٪ Zn) أعلى حساسية بسبب تكوين عدد كبير من الوصلات غير المتجانسة وزيادة مساحة السطح المحددة ، مما أدى إلى زيادة وظيفة المحول وتحسينه. حساسية 90 ومع ذلك ، مع زيادة أخرى في محتوى ZnO إلى 10 مول.٪ ، يمكن لمركب SnO2-ZnO ذو البنية المجهرية أن يلف مناطق تنشيط السطح ويقلل من حساسية المستشعر 85.لوحظ اتجاه مماثل أيضًا لأجهزة الاستشعار القائمة على مركبات NiO-NiFe2O4 pp غير المتجانسة مع نسب حديد / نيكل مختلفة (الشكل 3 ب).
صور SEM لألياف SnO2-ZnO (7 مول٪ Zn) واستجابة جهاز الاستشعار للغازات المختلفة بتركيز 100 جزء في المليون عند 260 درجة مئوية ؛54 ب استجابات أجهزة الاستشعار القائمة على مركبات NiO و NiO-NiFe2O4 النقية عند 50 جزء في المليون من الغازات المختلفة ، 260 درجة مئوية ؛114 (ج) رسم تخطيطي لعدد العقد في تكوين xSnO2- (1-x) Co3O4 وتفاعلات المقاومة والحساسية المقابلة لتكوين xSnO2- (1-x) Co3O4 لكل 10 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون والأسيتون و C6H6 و SO2 الغاز عند 350 درجة مئوية عن طريق تغيير النسبة المولية لـ Sn / Co 98
تُظهر مركبات pn-MOS سلوك حساسية مختلفًا اعتمادًا على النسبة الذرية لـ MOS115.بشكل عام ، يعتمد السلوك الحسي لمركبات MOS بشكل كبير على عمل MOS كقناة توصيل أولية لجهاز الاستشعار.لذلك ، من المهم جدًا وصف التركيب النسبي والبنية النانوية للمركبات.أكد Kim et al.98 هذا الاستنتاج من خلال توليف سلسلة من الألياف النانوية المركبة xSnO2 ± (1-x) Co3O4 عن طريق الغزل الكهربائي ودراسة خصائص أجهزة الاستشعار الخاصة بهم.لاحظوا أن سلوك المستشعر المركب SnO2-Co3O4 قد تحول من النوع n إلى النوع p عن طريق تقليل النسبة المئوية لـ SnO2 (الشكل 3 ج) 98.بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت المستشعرات غير المتجانسة (المستندة إلى 0.5 SnO2-0.5 Co3O4) أعلى معدلات نقل لـ C6H6 مقارنة بالمستشعرات المهيمنة متجانسة (على سبيل المثال ، مستشعرات SnO2 أو Co3O4 عالية).تساهم المقاومة العالية المتأصلة في المستشعر القائم على 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 وقدرته الأكبر على تعديل مقاومة المستشعر الإجمالية في أعلى حساسية لـ C6H6.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لعيوب عدم تطابق الشبكة الناشئة عن واجهات SnO2-Co3O4 غير المتجانسة إنشاء مواقع امتزاز تفضيلية لجزيئات الغاز ، وبالتالي تعزيز استجابة المستشعر 109،116.
بالإضافة إلى MOS من نوع أشباه الموصلات ، يمكن أيضًا تخصيص سلوك اللمس لمركبات MOS باستخدام كيمياء MOS-117.استخدم Huo et al.117 طريقة نقع بسيطة لتحضير مركبات Co3O4-SnO2 ووجدوا أنه عند نسبة مولار Co / Sn بنسبة 10٪ ، أظهر المستشعر استجابة اكتشاف من النوع p لـ H2 وحساسية من النوع n لـ H2.استجابة.ترد استجابات أجهزة الاستشعار لغازات أول أكسيد الكربون ، وكبريتيد الهيدروجين ، و NH3 في الشكل 4 أ117.في نسب Co / Sn منخفضة ، تتشكل العديد من المتجانسات عند حدود SnO2 ± SnO2 النانوية وتظهر استجابات مستشعر من النوع n لـ H2 (الأشكال 4 ب ، ج) 115.مع زيادة نسبة Co / Sn تصل إلى 10 مول.٪ ، بدلاً من متجانسات SnO2-SnO2 ، تم تشكيل العديد من المتجانسات غير المتجانسة Co3O4-SnO2 في وقت واحد (الشكل 4 د).نظرًا لأن Co3O4 غير نشط فيما يتعلق بـ H2 ، ويتفاعل SnO2 بقوة مع H2 ، فإن تفاعل H2 مع أنواع الأكسجين الأيوني يحدث بشكل أساسي على سطح SnO2117.لذلك ، تنتقل الإلكترونات إلى SnO2 و Ef SnO2 إلى نطاق التوصيل ، بينما يظل Ef Co3O4 بدون تغيير.نتيجة لذلك ، تزداد مقاومة المستشعر ، مما يشير إلى أن المواد ذات نسبة Co / Sn العالية تظهر سلوك استشعار من النوع p (الشكل 4 هـ).على النقيض من ذلك ، تتفاعل غازات CO و H2S و NH3 مع أنواع الأكسجين الأيوني على أسطح SnO2 و Co3O4 ، وتتحرك الإلكترونات من الغاز إلى المستشعر ، مما يؤدي إلى انخفاض في ارتفاع الحاجز وحساسية النوع n (الشكل 4f)..يرجع سلوك المستشعر المختلف هذا إلى التفاعل المختلف لـ Co O مع الغازات المختلفة ، وهو ما أكده Yin et al.118.وبالمثل ، Katoch et al.أظهر 119 أن مركبات SnO2-ZnO لها انتقائية جيدة وحساسية عالية لـ H2.يحدث هذا السلوك لأنه يمكن بسهولة امتصاص ذرات H في مواضع O من ZnO بسبب التهجين القوي بين المدار s لـ H والمدار p لـ O ، مما يؤدي إلى تعدين ZnO120،121.
a منحنيات المقاومة الديناميكية Co / Sn-10٪ لغازات الاختزال النموذجية مثل H2 و CO و NH3 و H2S و b و c مخطط آلية الاستشعار المركب Co3O4 / SnO2 لـ H2 عند انخفاض٪ م.الكشف عن آلية Co / Sn ، df Co3O4 لـ H2 و CO و H2S و NH3 مع مركب Co / Sn / SnO2 عالي
لذلك ، يمكننا تحسين حساسية المستشعر من النوع الأول عن طريق اختيار طرق التصنيع المناسبة ، وتقليل حجم حبيبات المركبات ، وتحسين النسبة المولية لمركبات MOS.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي الفهم العميق لكيمياء المادة الحساسة إلى زيادة تعزيز انتقائية المستشعر.
هياكل المستشعرات من النوع الثاني هي بنية مستشعر شائعة أخرى يمكنها استخدام مجموعة متنوعة من المواد ذات البنية النانوية غير المتجانسة ، بما في ذلك مادة نانوية واحدة "رئيسية" ومادة نانوية ثانية أو حتى ثالثة.على سبيل المثال ، تُستخدم المواد أحادية البعد أو ثنائية الأبعاد المزينة بالجسيمات النانوية والقشرة الأساسية (CS) والمواد متعددة الطبقات ذات البنية المتجانسة بشكل شائع في هياكل المستشعرات من النوع الثاني وستتم مناقشتها بالتفصيل أدناه.
بالنسبة إلى أول مادة ذات بنية متجانسة (بنية متجانسة مزخرفة) ، كما هو موضح في الشكل 2 ب (1) ، يتم توصيل القنوات الموصلة للمستشعر بواسطة مادة أساسية.نظرًا لتشكيل غير متجانسة ، يمكن للجسيمات النانوية المعدلة أن توفر المزيد من المواقع التفاعلية لامتصاص الغاز أو امتصاصه ، ويمكن أن تعمل أيضًا كمحفزات لتحسين أداء الاستشعار.لاحظ Yuan et al. 41 أن تزيين الأسلاك النانوية WO3 مع CeO2 nanodots يمكن أن يوفر المزيد من مواقع الامتزاز في الواجهة غير المتجانسة CeO2 @ WO3 وسطح CeO2 ويولد المزيد من أنواع الأكسجين الممتص كيميائيًا للتفاعل مع الأسيتون.جوناوان وآخرون125- تم اقتراح حساس أسيتون عالي الحساسية يعتمد على البعد الواحد Au @ α-Fe2O3 وقد لوحظ أن حساسية المستشعر يتم التحكم فيها عن طريق تنشيط جزيئات O2 كمصدر للأكسجين.يمكن أن يعمل وجود Au NPs كمحفز يعزز تفكك جزيئات الأكسجين إلى أكسجين شبكي لأكسدة الأسيتون.تم الحصول على نتائج مماثلة بواسطة Choi et al.9 حيث تم استخدام محفز Pt لفصل جزيئات الأكسجين الممتز إلى أنواع الأكسجين المتأين وتعزيز الاستجابة الحساسة للأسيتون.في عام 2017 ، أظهر نفس فريق البحث أن الجسيمات النانوية ثنائية المعدن أكثر فاعلية في التحفيز من الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة ، كما هو موضح في الشكل 5126. 5 أ هو مخطط لعملية تصنيع البلاتين ثنائي المعدن (PtM) NPs باستخدام خلايا أبوفيريتين مع متوسط ​​حجم أقل من 3 نانومتر.بعد ذلك ، باستخدام طريقة الغزل الكهربائي ، تم الحصول على ألياف نانوية PtM @ WO3 لزيادة الحساسية والانتقائية للأسيتون أو H2S (الشكل 5 ب-ز).في الآونة الأخيرة ، أظهرت محفزات الذرة المفردة (SACs) أداء تحفيزيًا ممتازًا في مجال التحفيز وتحليل الغاز نظرًا لأقصى كفاءة لاستخدام الذرات والهياكل الإلكترونية المضبوطة.شين وآخرون.129 تستخدم Pt-SA نيتريد الكربون الراسخ (MCN) ، SnCl2 و PVP الصفائح النانوية كمصادر كيميائية لإعداد الألياف المضمنة Pt @ MCN @ SnO2 للكشف عن الغاز.على الرغم من المحتوى المنخفض جدًا لـ Pt @ MCN (من 0.13 بالوزن٪ إلى 0.68٪ بالوزن) ، فإن أداء الكشف عن الفورمالديهايد الغازي Pt @ MCN @ SnO2 يتفوق على العينات المرجعية الأخرى (نقية SnO2 و MCN @ SnO2 و Pt NPs @ SnO2)..يمكن أن يُعزى أداء الكشف الممتاز هذا إلى الكفاءة الذرية القصوى لمحفز Pt SA والحد الأدنى من التغطية للمواقع النشطة SnO2129.
طريقة التغليف المحملة بالأبوفيريتين للحصول على جسيمات نانوية PtM-apo (PtPd ، PtRh ، PtNi) ؛الخصائص الديناميكية الحساسة للغاز للألياف النانوية النانوية البكر bd ، PtPd @ WO3 ، PtRn @ WO3 ، و Pt-NiO @ WO3 ؛على سبيل المثال ، استنادًا إلى الخصائص الانتقائية لأجهزة استشعار PtPd @ WO3 و PtRn @ WO3 و Pt-NiO @ WO3 nanofiber إلى 1 جزء في المليون من الغاز المتداخل 126
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للوصلات غير المتجانسة المتكونة بين مواد السقالات والجسيمات النانوية أن تعدل بشكل فعال قنوات التوصيل من خلال آلية تعديل شعاعي لتحسين أداء المستشعر 130 ، 131 ، 132.على التين.يوضح الشكل 6 أ خصائص المستشعر للأسلاك النانوية النقية SnO2 و Cr2O3 @ SnO2 لتقليل الغازات المؤكسدة وآليات الاستشعار المقابلة.مقارنة بأسلاك SnO2 النانوية النقية ، فإن استجابة الأسلاك النانوية Cr2O3 @ SnO2 لتقليل الغازات تتعزز بشكل كبير ، في حين أن الاستجابة للغازات المؤكسدة تزداد سوءًا.ترتبط هذه الظواهر ارتباطًا وثيقًا بالتباطؤ المحلي لقنوات التوصيل لأسلاك SnO2 النانوية في الاتجاه الشعاعي للتوصيل غير المتماثل pn.يمكن ضبط مقاومة المستشعر ببساطة عن طريق تغيير عرض EDL على سطح الأسلاك النانوية SnO2 النقية بعد التعرض لغازات الاختزال والمؤكسدة.ومع ذلك ، بالنسبة للأسلاك النانوية Cr2O3 @ SnO2 ، تتم زيادة DEL الأولي لأسلاك SnO2 النانوية في الهواء مقارنة بأسلاك SnO2 النانوية النقية ، ويتم قمع قناة التوصيل بسبب تكوين وصلة غير متجانسة.لذلك ، عندما يتعرض المستشعر لغاز مختزل ، يتم إطلاق الإلكترونات المحاصرة في أسلاك SnO2 النانوية ويتم تقليل EDL بشكل كبير ، مما ينتج عنه حساسية أعلى من الأسلاك النانوية SnO2 النقية.على العكس من ذلك ، عند التبديل إلى غاز مؤكسد ، يكون توسع DEL محدودًا ، مما يؤدي إلى حساسية منخفضة.لوحظت نتائج استجابة حسية مماثلة من قبل Choi وآخرون ، 133 حيث أظهرت أسلاك SnO2 النانوية المزينة بجسيمات نانوية من النوع p WO3 استجابة حسية محسنة بشكل كبير لتقليل الغازات ، في حين أن مستشعرات SnO2 المزينة بـ n حسنت الحساسية للغازات المؤكسدة.TiO2 الجسيمات النانوية (الشكل 6 ب) 133. ترجع هذه النتيجة أساسًا إلى وظائف العمل المختلفة للجسيمات النانوية SnO2 و MOS (TiO2 أو WO3).في الجسيمات النانوية من النوع p (النوع n) ، تتوسع قناة التوصيل للمادة الهيكلية (SnO2) (أو تتقلص) في الاتجاه الشعاعي ، وبعد ذلك ، تحت تأثير الاختزال (أو الأكسدة) ، يتم توسيع (أو تقصير) لقناة توصيل SnO2 - ضلع) للغاز (الشكل 6 ب).
آلية تعديل شعاعي ناتجة عن تعديل LF MOS.أ ملخص لاستجابات الغاز لغازات الاختزال والمؤكسدة بمقدار 10 أجزاء في المليون بناءً على الأسلاك النانوية النقية SnO2 و Cr2O3 @ SnO2 والمخططات التخطيطية لآلية الاستشعار المقابلة ؛والمخططات المقابلة لها من WO3 @ SnO2 nanorods وآلية الكشف
في الأجهزة غير المتجانسة ثنائية الطبقة ومتعددة الطبقات ، تهيمن الطبقة (عادة الطبقة السفلية) على قناة التوصيل للجهاز في اتصال مباشر مع الأقطاب الكهربائية ، ويمكن أن تتحكم الوصلة غير المتجانسة المتكونة في واجهة الطبقتين في موصلية الطبقة السفلية .لذلك ، عندما تتفاعل الغازات مع الطبقة العليا ، فإنها يمكن أن تؤثر بشكل كبير على قنوات التوصيل للطبقة السفلية ومقاومة 134 للجهاز.على سبيل المثال ، Kumar et al.أبلغ 77 عن السلوك المعاكس للطبقات المزدوجة TiO2 @ NiO و NiO @ TiO2 لـ NH3.ينشأ هذا الاختلاف لأن قنوات التوصيل للمستشعرين تهيمن في طبقات من مواد مختلفة (NiO و TiO2 ، على التوالي) ، ثم تختلف الاختلافات في قنوات التوصيل الأساسية.
عادة ما يتم إنتاج البنى المتجانسة ثنائية الطبقة أو متعددة الطبقات عن طريق الرش وترسيب الطبقة الذرية (ALD) والطرد المركزي.يمكن التحكم بشكل جيد في سماكة الفيلم ومنطقة التلامس بين المادتين.يوضح الشكلان 7 أ و ب الأغشية النانوية NiO @ SnO2 و Ga2O3 @ WO3 التي تم الحصول عليها عن طريق الاخرق للكشف عن الإيثانول.ومع ذلك ، فإن هذه الطرق تنتج بشكل عام أغشية مسطحة ، وهذه الأفلام المسطحة أقل حساسية من المواد النانوية ثلاثية الأبعاد نظرًا لانخفاض مساحة سطحها المحددة ونفاذية الغاز.لذلك ، تم اقتراح إستراتيجية المرحلة السائلة لتصنيع أفلام ثنائية الطبقات بتسلسلات هرمية مختلفة لتحسين الأداء الإدراكي عن طريق زيادة مساحة السطح المحددة.جمعت Zhu et al139 تقنيات الرش والحرارة المائية لإنتاج أسلاك نانوية ZnO عالية الترتيب على الأسلاك النانوية SnO2 (أسلاك ZnO @ SnO2 النانوية) لاكتشاف H2S (الشكل 7 ج).تكون استجابتها لـ 1 جزء في المليون من H2S أعلى 1.6 مرة من استجابة المستشعر المعتمد على الأغشية النانوية ZnO @ SnO2 المتناثرة.ليو وآخرون.أبلغ 52 عن مستشعر H2S عالي الأداء باستخدام طريقة ترسيب كيميائي من خطوتين في الموقع لتصنيع هياكل نانوية هرمية SnO2 @ NiO متبوعة بالتلدين الحراري (الشكل 10 د).مقارنة بأفلام SnO2 @ NiO ثنائية الطبقة التقليدية ، تم تحسين أداء حساسية هيكل الطبقة الثنائية الهرمي SnO2 @ NiO بشكل ملحوظ بسبب الزيادة في مساحة السطح المحددة.
مستشعر غاز مزدوج الطبقة يعتمد على MOS.NiO @ SnO2 نانوفيلم للكشف عن الإيثانول ؛137b Ga2O3 @ WO3 نانوفيلم للكشف عن الإيثانول ؛135c مرتبة عالية SnO2 @ ZnO بنية هرمية ثنائية الطبقة لاكتشاف H2S ؛139d SnO2 @ NiO بنية هرمية ثنائية الطبقة للكشف عن H2S52.
في الأجهزة من النوع الثاني القائمة على الهياكل المتجانسة (CSHNs) ، تكون آلية الاستشعار أكثر تعقيدًا ، نظرًا لأن قنوات التوصيل لا تقتصر على الغلاف الداخلي.يمكن لكل من طريق التصنيع وسمك الحزمة (hs) تحديد موقع القنوات الموصلة.على سبيل المثال ، عند استخدام طرق التوليف من أسفل إلى أعلى ، عادةً ما تقتصر قنوات التوصيل على النواة الداخلية ، والتي تشبه في هيكلها هياكل الأجهزة ثنائية الطبقات أو متعددة الطبقات (الشكل 2 ب (3)) 123 ، 140 ، 141 ، 142 ، 143- Xu et al.أبلغ 144 عن نهج من أسفل إلى أعلى للحصول على CSHN NiO @ α-Fe O و CuO @ α-Fe O عن طريق ترسيب طبقة من NiO أو CuO NPs على α-Fe O nanorods حيث كانت قناة التوصيل محدودة بالجزء المركزي.(nanorods α-Fe2O3).ليو وآخرون.142 نجح أيضًا في تقييد قناة التوصيل إلى الجزء الرئيسي من CSHN TiO2 @ Si عن طريق ترسيب TiO2 على صفائف معدة من أسلاك السيليكون النانوية.لذلك ، يعتمد سلوك الاستشعار الخاص به (النوع p أو النوع n) فقط على نوع أشباه الموصلات لأسلاك السيليكون النانوية.
ومع ذلك ، فإن معظم المستشعرات القائمة على CSHN المبلغ عنها (الشكل 2 ب (4)) تم تصنيعها عن طريق نقل مساحيق مادة CS المركبة إلى شرائح.في هذه الحالة ، يتأثر مسار التوصيل الخاص بالمستشعر بسمك الهيكل (hs).قامت مجموعة كيم بالتحقيق في تأثير hs على أداء الكشف عن الغاز واقترحت آلية كشف محتملة 100،112،145،146،147،148. يُعتقد أن عاملين يساهمان في آلية الاستشعار لهذه البنية: (1) التعديل الشعاعي لـ EDL للقذيفة و (2) تأثير تلطيخ المجال الكهربائي (الشكل 8) 145. ذكر الباحثون أن قناة التوصيل من المواد الحاملة في الغالب محصورة في طبقة الغلاف عندما تكون hs> λD من طبقة الغلاف. يُعتقد أن عاملين يساهمان في آلية الاستشعار لهذه البنية: (1) التعديل الشعاعي لـ EDL للقذيفة و (2) تأثير تلطيخ المجال الكهربائي (الشكل 8) 145. ذكر الباحثون أن قناة التوصيل من المواد الحاملة في الغالب محصورة في طبقة الغلاف عندما تكون hs> λD من طبقة الغلاف. Считается, что в механизме восприятия этой структуры участвуют два фактора: (1) радиальная модуляция ДЭС оболочки и (2) эффект размытия электрического поля (рис. 8) 145. Исследователи отметили, что канал проводимости носителей в основном приурочено к оболочке, когда hs > 145- محمد عبدالمجيد. يُعتقد أن هناك عاملين متورطين في آلية إدراك هذه البنية: (1) التعديل الشعاعي لـ EDL للقذيفة و (2) تأثير طمس المجال الكهربائي (الشكل 8) 145. لاحظ الباحثون أن تقتصر قناة التوصيل الحاملة بشكل أساسي على الغلاف عندما تكون hs> λD shells145.يُعتقد أن عاملين يساهمان في آلية الكشف عن هذه البنية: (1) التعديل الشعاعي لـ DEL للقذيفة و (2) تأثير تلطيخ المجال الكهربائي (الشكل 8) 145.研究 人员 提到 传导 通道 当 壳层 的 hs> λD145 时 , 载 流 子 的 数量 主要 局限于 壳层。 > λD145 时 , 载 流 子 的 数量 主要 局限于 壳层。 كلمات البحث لاحظ الباحثون أن قناة التوصيل عندما تكون hs> λD145 للقذيفة ، فإن عدد الناقلات مقيد بشكل أساسي بالصدفة.لذلك ، في التعديل المقاوم لجهاز الاستشعار على أساس CSHN ، يسود التعديل الشعاعي للكسوة DEL (الشكل 8 أ).ومع ذلك ، عند hs ≤ λD للقذيفة ، فإن جزيئات الأكسجين التي تمتصها القشرة والتشابك غير المتجانس المتكون في الوصلة غير المتجانسة CS تُستنفد تمامًا من الإلكترونات. لذلك ، لا توجد قناة التوصيل داخل طبقة الغلاف فحسب ، بل تقع أيضًا جزئيًا في الجزء الأساسي ، خاصةً عندما تكون hs <D من طبقة الغلاف. لذلك ، لا توجد قناة التوصيل داخل طبقة الغلاف فحسب ، بل تقع أيضًا جزئيًا في الجزء الأساسي ، خاصةً عندما تكون hs <D من طبقة الغلاف. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевинной части, особенно при hs < λD оболочечного слоя. لذلك ، لا توجد قناة التوصيل داخل طبقة الغلاف فحسب ، بل تقع أيضًا جزئيًا في الجزء الأساسي ، خاصة عند hs <D من طبقة الغلاف.因此 , 传导 通道 不仅 位于 壳层 内部 , 而且 部分 位于 芯 部 , 尤其 是 当 壳层 的 hs <D 时。 hs <λD 时。 оэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки ، но и астично в сердцевионе. لذلك ، لا توجد قناة التوصيل داخل الغلاف فحسب ، بل تقع أيضًا جزئيًا في القلب ، خاصة عند hs <λD من الغلاف.في هذه الحالة ، تساعد كل من غلاف الإلكترون المستنفد بالكامل والطبقة الأساسية المستنفدة جزئيًا على تعديل مقاومة CSHN بالكامل ، مما يؤدي إلى تأثير ذيل المجال الكهربائي (الشكل 8 ب).استخدمت بعض الدراسات الأخرى مفهوم الكسر الحجمي لشركة EDL بدلاً من ذيل المجال الكهربائي لتحليل تأثير hs.بأخذ هاتين المساهمتين في الاعتبار ، يصل التشكيل الكلي لمقاومة CSHN إلى أعلى قيمته عندما تكون hs قابلة للمقارنة بالغمد λD ، كما هو موضح في الشكل 8 ج.لذلك ، يمكن أن تكون hs المثلى لـ CSHN قريبة من shell λD ، وهو ما يتوافق مع الملاحظات التجريبية.أظهرت العديد من الدراسات أن hs يمكن أن تؤثر أيضًا على حساسية مستشعرات pn غير المتجانسة المستندة إلى CSHN.لي وآخرون.148 وباي وآخرون.قام 40 بشكل منهجي بالتحقيق في تأثير hs على أداء مستشعرات CSHN غير المتجانسة ، مثل TiO2 @ CuO و ZnO @ NiO ، عن طريق تغيير دورة الكسوة ALD.نتيجة لذلك ، تغير السلوك الحسي من النوع p إلى النوع n مع زيادة hs40،148.يرجع هذا السلوك إلى حقيقة أنه في البداية (مع عدد محدود من دورات ALD) يمكن اعتبار الهياكل غير المتجانسة هياكل غير متجانسة معدلة.وبالتالي ، فإن قناة التوصيل محدودة بواسطة الطبقة الأساسية (النوع p MOSFET) ، ويعرض المستشعر سلوك الكشف من النوع p.مع زيادة عدد دورات ALD ، تصبح طبقة الكسوة (n-type MOSFET) شبه مستمرة وتعمل كقناة توصيل ، مما ينتج عنه حساسية من النوع n.تم الإبلاغ عن سلوك انتقالي حسي مماثل لـ pn متفرعة متفرعة هياكل متجانسة 150،151.تشو وآخرون.قام 150 بالتحقيق في حساسية Zn2SnO4 @ Mn3O4 المتفرعة بهياكل متجانسة من خلال التحكم في محتوى Zn2SnO4 على سطح أسلاك Mn3O4 النانوية.عندما تشكلت نوى Zn2SnO4 على سطح Mn3O4 ، لوحظت حساسية من النوع p.مع زيادة أخرى في محتوى Zn2SnO4 ، يتحول المستشعر المستند إلى Zn2SnO4 @ Mn3O4 المتفرعة إلى سلوك المستشعر من النوع n.
يتم عرض وصف مفاهيمي لآلية الاستشعار ثنائية الوظائف للأسلاك النانوية CS.تعديل المقاومة بسبب التعديل الشعاعي للأغلفة المستنفدة للإلكترون ، ب التأثير السلبي للتلطيخ على تعديل المقاومة ، ج تعديل المقاومة الكلية للأسلاك النانوية CS بسبب مزيج من كلا التأثيرين 40
في الختام ، تشتمل المستشعرات من النوع الثاني على العديد من الهياكل النانوية الهرمية المختلفة ، ويعتمد أداء المستشعر بشكل كبير على ترتيب القنوات الموصلة.لذلك ، من الأهمية بمكان التحكم في موضع قناة التوصيل الخاصة بالمستشعر واستخدام نموذج MOS ذو بنية متجانسة مناسب لدراسة آلية الاستشعار الموسعة لأجهزة الاستشعار من النوع الثاني.
هياكل أجهزة الاستشعار من النوع الثالث ليست شائعة جدًا ، وتعتمد قناة التوصيل على ارتباط غير متجانس يتكون بين اثنين من أشباه الموصلات متصلين بقطبين كهربائيين ، على التوالي.عادة ما يتم الحصول على هياكل الأجهزة الفريدة من خلال تقنيات micromachining وتختلف آليات الاستشعار الخاصة بها اختلافًا كبيرًا عن بنيتي الاستشعار السابقتين.عادةً ما يُظهر المنحنى الرابع لمستشعر من النوع الثالث خصائص تصحيح نموذجية بسبب تشكيل غير متجانسة.يمكن وصف منحنى الخاصية I-V للترابط المثالي من خلال الآلية الحرارية لانبعاث الإلكترون فوق ارتفاع حاجز التداخل غير المتجانسة 152،154،155.
حيث Va هو جهد التحيز ، A هي منطقة الجهاز ، k هي ثابت Boltzmann ، T هي درجة الحرارة المطلقة ، q هي الشحنة الحاملة ، Jn و Jp هي كثافة الفتحة وانتشار الإلكترون ، على التوالي.يمثل IS تيار التشبع العكسي ، المعرف على النحو التالي: 152،154،155
لذلك ، يعتمد التيار الكلي للوصلات غير المتجانسة pn على التغيير في تركيز ناقلات الشحنة والتغير في ارتفاع حاجز التقاطع غير المتجانس ، كما هو موضح في المعادلتين (3) و (4) 156
حيث nn0 و pp0 هما تركيز الإلكترونات (الثقوب) في نوع n (نوع p) MOS ، \ (V_ {bi} ^ 0 \) هو الجهد المدمج ، Dp (Dn) هو معامل الانتشار لـ الإلكترونات (الثقوب) ، Ln (Lp) هو طول انتشار الإلكترونات (الثقوب) ، ΔEv (ΔEc) هو تحول الطاقة في نطاق التكافؤ (نطاق التوصيل) عند التقاطع غير المتجانس.على الرغم من أن كثافة التيار تتناسب مع كثافة الموجة الحاملة ، إلا أنها تتناسب عكسياً مع \ (V_ {bi} ^ 0 \).لذلك ، فإن التغيير الإجمالي في كثافة التيار يعتمد بشدة على تعديل ارتفاع حاجز غير المتجانسة.
كما ذكرنا أعلاه ، فإن إنشاء MOSFETs ذات البنية النانوية غير المتجانسة (على سبيل المثال ، الأجهزة من النوع الأول والنوع الثاني) يمكن أن يحسن أداء المستشعر بشكل كبير ، بدلاً من المكونات الفردية.وبالنسبة للأجهزة من النوع الثالث ، يمكن أن تكون استجابة البنية غير المتجانسة أعلى من مكونين 48153 أو أعلى من مكون واحد 76 ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي للمادة.أظهرت العديد من التقارير أن استجابة الهياكل المتجانسة هي أعلى بكثير من استجابة مكون واحد عندما يكون أحد المكونات غير حساس للغاز المستهدف.في هذه الحالة ، سيتفاعل الغاز المستهدف فقط مع الطبقة الحساسة ويسبب إزاحة Ef للطبقة الحساسة وتغيرًا في ارتفاع الحاجز غير المتجانسة.ثم سيتغير التيار الكلي للجهاز بشكل كبير ، لأنه مرتبط عكسياً بارتفاع الحاجز غير المتجانسة وفقًا للمعادلة.(3) و (4) 48،76،153.ومع ذلك ، عندما تكون المكونات من النوع n والنوع p حساسة للغاز المستهدف ، يمكن أن يكون أداء الكشف في مكان ما بينهما.أنتج José وآخرون 76 مستشعر NiO / SnO2 بغشاء NO2 المسامي عن طريق الرش ووجدوا أن حساسية المستشعر كانت أعلى فقط من تلك الموجودة في المستشعر المعتمد على NiO ، ولكنها أقل من تلك الموجودة في المستشعر المعتمد على SnO2.المستشعر.ترجع هذه الظاهرة إلى حقيقة أن SnO2 و NiO يظهران ردود فعل معاكسة على NO276.أيضًا ، نظرًا لأن المكونين لهما حساسيات غازية مختلفة ، فقد يكون لهما نفس الميل لاكتشاف الغازات المؤكسدة والاختزال.على سبيل المثال ، كوون وآخرون.اقترح 157 مستشعر غاز NiO / SnO2 pn غير المتجانسة عن طريق الرش المائل ، كما هو موضح في الشكل 9 أ.ومن المثير للاهتمام ، أظهر مستشعر NiO / SnO2 pn غير المتجانسة نفس اتجاه الحساسية لـ H2 و NO2 (الشكل 9 أ).لحل هذه النتيجة ، كوون وآخرون.قام 157 بالتحقيق بشكل منهجي في كيفية تغيير NO2 و H2 لتركيزات الحامل وضبط \ (V_ {bi} ^ 0 \) لكلتا المادتين باستخدام خصائص IV والمحاكاة الحاسوبية (الشكل 9bd).يوضح الشكلان 9 ب و ج قدرة H2 و NO2 على تغيير كثافة الموجات الحاملة لأجهزة الاستشعار على أساس p-NiO (pp0) و n-SnO2 (nn0) ، على التوالي.لقد أظهروا أن pp0 من p-type NiO تغيرت قليلاً في بيئة NO2 ، بينما تغيرت بشكل كبير في بيئة H2 (الشكل 9 ب).ومع ذلك ، بالنسبة لنوع SnO2 من النوع n ، يتصرف nn0 في الاتجاه المعاكس (الشكل 9 ج).بناءً على هذه النتائج ، خلص المؤلفون إلى أنه عندما تم تطبيق H2 على المستشعر بناءً على تفاعل NiO / SnO2 pn المتغاير ، أدت الزيادة في nn0 إلى زيادة في Jn ، و \ (V_ {bi} ^ 0 \) أدت إلى انخفاض في الاستجابة (الشكل 9 د).بعد التعرض لثاني أكسيد النيتروجين ، يؤدي كل من الانخفاض الكبير في nn0 في SnO2 والزيادة الطفيفة في pp0 في NiO إلى انخفاض كبير في \ (V_ {bi} ^ 0 \) ، مما يضمن زيادة الاستجابة الحسية (الشكل 9 د ) 157 في الختام ، تؤدي التغييرات في تركيز الحاملات و \ (V_ {bi} ^ 0 \) إلى تغييرات في إجمالي التيار ، مما يؤثر بشكل أكبر على قدرة الكشف.
تعتمد آلية استشعار مستشعر الغاز على هيكل الجهاز من النوع الثالث.مسح الصور المقطعية بالمجهر الإلكتروني (SEM) ، وجهاز nanocoil p-NiO / n-SnO2 وخصائص مستشعر p-NiO / n-SnO2 nanocoil غير المتجانسة عند 200 درجة مئوية لـ H2 و NO2 ؛b ، SEM المقطعي لجهاز c ، ونتائج المحاكاة لجهاز مع طبقة p-NiO b وطبقة n-SnO2 c.يقوم مستشعر b p-NiO ومستشعر c n-SnO2 بقياس ومطابقة خصائص I-V في الهواء الجاف وبعد التعرض لـ H2 و NO2.تم تصميم خريطة ثنائية الأبعاد لكثافة b-hole في p-NiO وخريطة للإلكترونات c في طبقة n-SnO2 بمقياس لوني باستخدام برنامج Sentaurus TCAD.د تظهر نتائج المحاكاة خريطة ثلاثية الأبعاد لـ p-NiO / n-SnO2 في الهواء الجاف ، و H2 و NO2157 في البيئة.
بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية للمادة نفسها ، يوضح هيكل الجهاز من النوع الثالث إمكانية إنشاء مستشعرات غاز تعمل بالطاقة الذاتية ، وهو أمر غير ممكن مع الأجهزة من النوع الأول والنوع الثاني.بسبب مجالها الكهربائي المتأصل (BEF) ، تُستخدم هياكل الصمام الثنائي غير المتجانسة بشكل شائع لبناء الأجهزة الكهروضوئية وإظهار إمكانية صنع مستشعرات غاز كهروضوئية تعمل بالطاقة الذاتية في درجة حرارة الغرفة تحت الإضاءة.BEF في الواجهة غير المتجانسة ، الناجم عن الاختلاف في مستويات فيرمي للمواد ، يساهم أيضًا في فصل أزواج الثقوب الإلكترونية.تتمثل ميزة مستشعر الغاز الكهروضوئي الذي يعمل بالطاقة الذاتية في انخفاض استهلاكه للطاقة حيث يمكنه امتصاص طاقة الضوء المضيء ثم التحكم في نفسه أو الأجهزة المصغرة الأخرى دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.على سبيل المثال ، قامت Tanuma و Sugiyama162 بتصنيع تفاعلات غير متجانسة NiO / ZnO pn كخلايا شمسية لتنشيط مستشعرات ثاني أكسيد الكربون متعددة الكريستالات القائمة على SnO2.جاد وآخرون.أبلغ 74 عن مستشعر غاز ضوئي يعمل بالطاقة الذاتية يعتمد على Si / ZnO @ CdS pn غير المتجانسة ، كما هو موضح في الشكل 10 أ.نمت الأسلاك النانوية ZnO الموجهة عموديًا مباشرة على ركائز السيليكون من النوع p لتشكيل Si / ZnO pn غير المتجانسة.ثم تم تعديل الجسيمات النانوية CdS على سطح أسلاك ZnO النانوية عن طريق تعديل السطح الكيميائي.على التين.يُظهر 10a نتائج استجابة مستشعر Si / ZnO @ CdS خارج الخط للأكسجين والإيثانول.تحت الإضاءة ، يزداد جهد الدائرة المفتوحة (Voc) بسبب فصل أزواج ثقب الإلكترون أثناء BEP في واجهة Si / ZnO غير المتجانسة بشكل خطي مع عدد الثنائيات المتصلة.يمكن تمثيل Voc بمعادلة.(5) 156 ،
حيث ND و NA و Ni هي تركيزات المتبرعين والمقبلين والحاملات الجوهرية ، على التوالي ، و k و T و q هي نفس المعلمات كما في المعادلة السابقة.عند تعرضها للغازات المؤكسدة ، فإنها تستخرج الإلكترونات من أسلاك ZnO النانوية ، مما يؤدي إلى انخفاض في \ (N_D ^ {ZnO} \) و Voc.على العكس من ذلك ، أدى اختزال الغاز إلى زيادة Voc (الشكل 10 أ).عند تزيين ZnO بجزيئات CdS النانوية ، يتم حقن الإلكترونات المثارة ضوئيًا في جزيئات CdS النانوية في نطاق التوصيل لـ ZnO وتتفاعل مع الغاز الممتز ، وبالتالي زيادة كفاءة الإدراك.تم الإبلاغ عن مستشعر غاز كهروضوئي مشابه يعمل بالطاقة الذاتية يعتمد على Si / ZnO بواسطة Hoffmann et al.160 ، 161 (الشكل 10 ب).يمكن تحضير هذا المستشعر باستخدام خط من جزيئات ZnO النانوية الوظيفية للأمين ([3- (2-aminoethylamino) بروبيل] تريميثوكسيسيلان) (أمين-وظيفي- SAM) وثيول ((3-مركابتوبروبيل) وظيفية ، لضبط وظيفة العمل من الغاز المستهدف للكشف الانتقائي عن NO2 (ثلاثي ميثوكسيسيلان) (ثيول-وظيفي- SAM)) (الشكل 10 ب) 74،161.
مستشعر غاز كهروضوئي يعمل بالطاقة الذاتية بناءً على هيكل جهاز من النوع الثالث.مستشعر للغازات الكهروضوئية يعمل بالطاقة الذاتية على أساس Si / ZnO @ CdS ، وآلية استشعار تعمل بالطاقة الذاتية واستجابة جهاز الاستشعار للغازات المؤكسدة (O2) والغازات المخفضة (1000 جزء في المليون من الإيثانول) تحت أشعة الشمس ؛74b مستشعر الغاز الكهروضوئي الذي يعمل بالطاقة الذاتية على أساس مستشعرات Si ZnO / ZnO واستجابات المستشعر للغازات المختلفة بعد تفعيل ZnO SAM مع الأمينات الطرفية والثيول 161
لذلك ، عند مناقشة الآلية الحساسة لأجهزة الاستشعار من النوع الثالث ، من المهم تحديد التغير في ارتفاع الحاجز غير المتجانس وقدرة الغاز على التأثير على تركيز الناقل.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تولد الإضاءة ناقلات ضوئية تتفاعل مع الغازات ، وهو أمر واعد للكشف عن الغازات ذاتية التشغيل.
كما تمت مناقشته في مراجعة الأدبيات هذه ، فقد تم تصنيع العديد من هياكل MOS غير المتجانسة لتحسين أداء المستشعر.تم البحث في قاعدة بيانات Web of Science عن العديد من الكلمات الرئيسية (مركبات أكسيد المعادن ، وأكاسيد المعادن ذات الغلاف الأساسي ، وأكاسيد المعادن ذات الطبقات ، وأجهزة تحليل الغاز التي تعمل بالطاقة الذاتية) بالإضافة إلى الخصائص المميزة (الوفرة ، والحساسية / الانتقائية ، وإمكانية توليد الطاقة ، والتصنيع) .الطريقة يتم عرض خصائص ثلاثة من هذه الأجهزة الثلاثة في الجدول 2. تتم مناقشة مفهوم التصميم العام لأجهزة استشعار الغاز عالية الأداء من خلال تحليل العوامل الرئيسية الثلاثة التي اقترحها Yamazoe.آليات مستشعرات MOS غير المتجانسة لفهم العوامل التي تؤثر على مستشعرات الغاز ، تمت دراسة معلمات MOS المختلفة (على سبيل المثال ، حجم الحبيبات ودرجة حرارة التشغيل والعيوب وكثافة شغور الأكسجين والطائرات البلورية المفتوحة) بعناية.تم إهمال بنية الجهاز ، وهو أمر بالغ الأهمية أيضًا لسلوك الاستشعار في المستشعر ، ونادرًا ما تتم مناقشتها.تناقش هذه المراجعة الآليات الأساسية للكشف عن ثلاثة أنواع نموذجية من بنية الجهاز.
يمكن أن يؤثر هيكل حجم الحبوب وطريقة التصنيع وعدد الوصلات غير المتجانسة لمادة الاستشعار في مستشعر من النوع الأول بشكل كبير على حساسية المستشعر.بالإضافة إلى ذلك ، يتأثر سلوك المستشعر أيضًا بالنسبة المولية للمكونات.تعد هياكل الأجهزة من النوع الثاني (الهياكل المتجانسة المزخرفة ، والأفلام ثنائية الطبقات أو متعددة الطبقات ، HSSN) هي أكثر هياكل الأجهزة شيوعًا التي تتكون من مكونين أو أكثر ، ويتصل مكون واحد فقط بالإلكترود.بالنسبة لهيكل الجهاز هذا ، يعد تحديد موقع قنوات التوصيل وتغييراتها النسبية أمرًا بالغ الأهمية في دراسة آلية الإدراك.نظرًا لأن أجهزة النوع الثاني تشتمل على العديد من الهياكل الهرمية المختلفة المتجانسة ، فقد تم اقتراح العديد من آليات الاستشعار المختلفة.في البنية الحسية من النوع الثالث ، يهيمن على قناة التوصيل وصلة غير متجانسة تشكلت عند التقاطع غير المتجانسة ، وآلية الإدراك مختلفة تمامًا.لذلك ، من المهم تحديد التغيير في ارتفاع حاجز غير المتجانسة بعد تعرض الغاز المستهدف لمستشعر النوع الثالث.مع هذا التصميم ، يمكن تصنيع مستشعرات الغاز الكهروضوئية التي تعمل بالطاقة الذاتية لتقليل استهلاك الطاقة.ومع ذلك ، نظرًا لأن عملية التصنيع الحالية معقدة نوعًا ما والحساسية أقل بكثير من مستشعرات الغاز المقاومة الكيميائية التقليدية القائمة على MOS ، فلا يزال هناك الكثير من التقدم في البحث عن مستشعرات الغاز التي تعمل بالطاقة الذاتية.
تتمثل المزايا الرئيسية لمستشعرات MOS الغازية ذات الهياكل المتجانسة الهرمية في السرعة والحساسية العالية.ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض المشكلات الرئيسية لأجهزة استشعار الغاز MOS (على سبيل المثال ، ارتفاع درجة حرارة التشغيل ، والاستقرار على المدى الطويل ، وسوء الانتقائية والتكاثر ، وتأثيرات الرطوبة ، وما إلى ذلك) وتحتاج إلى معالجة قبل استخدامها في التطبيقات العملية.تعمل مستشعرات الغاز الحديثة MOS عادةً في درجات حرارة عالية وتستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة ، مما يؤثر على استقرار المستشعر على المدى الطويل.هناك طريقتان شائعتان لحل هذه المشكلة: (1) تطوير رقائق مستشعرات منخفضة الطاقة ؛(2) تطوير مواد حساسة جديدة يمكن أن تعمل في درجات حرارة منخفضة أو حتى في درجة حرارة الغرفة.تتمثل إحدى طرق تطوير رقائق أجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة في تقليل حجم المستشعر عن طريق تصنيع ألواح التسخين الدقيق القائمة على السيراميك والسيليكون.تستهلك ألواح التسخين الدقيقة القائمة على السيراميك ما يقرب من 50-70 مللي فولت لكل مستشعر ، بينما يمكن أن تستهلك ألواح التسخين الدقيقة المعتمدة على السيليكون أقل من 2 ميجاوات لكل مستشعر عند التشغيل المستمر عند 300 درجة مئوية.يعد تطوير مواد استشعار جديدة طريقة فعالة لتقليل استهلاك الطاقة عن طريق خفض درجة حرارة التشغيل ، ويمكنه أيضًا تحسين استقرار المستشعر.مع استمرار تقليل حجم MOS لزيادة حساسية المستشعر ، يصبح الاستقرار الحراري لـ MOS أكثر صعوبة ، مما قد يؤدي إلى الانجراف في إشارة المستشعر.بالإضافة إلى ذلك ، تعمل درجة الحرارة المرتفعة على تعزيز انتشار المواد في واجهة غير متجانسة وتشكيل أطوار مختلطة ، مما يؤثر على الخصائص الإلكترونية لجهاز الاستشعار.أفاد الباحثون أنه يمكن تقليل درجة حرارة التشغيل المثلى للمستشعر عن طريق اختيار مواد الاستشعار المناسبة وتطوير هياكل MOS غير المتجانسة.يعد البحث عن طريقة منخفضة الحرارة لتصنيع هياكل MOS متغايرة البلورية للغاية نهجًا واعدًا آخر لتحسين الاستقرار.
تعد انتقائية مستشعرات MOS مشكلة عملية أخرى حيث تتعايش الغازات المختلفة مع الغاز المستهدف ، في حين أن مستشعرات MOS غالبًا ما تكون حساسة لأكثر من غاز واحد وغالبًا ما تظهر حساسية متقاطعة.لذلك ، فإن زيادة انتقائية المستشعر للغاز المستهدف وكذلك الغازات الأخرى أمر بالغ الأهمية للتطبيقات العملية.على مدى العقود القليلة الماضية ، تمت معالجة الخيار جزئيًا من خلال بناء صفائف من أجهزة استشعار الغاز تسمى "الأنوف الإلكترونية (E-nose)" بالاقتران مع خوارزميات التحليل الحسابي مثل تكميم ناقلات التدريب (LVQ) ، وتحليل المكونات الرئيسية (PCA) ، إلخ ه.مشاكل جنسية.المربعات الصغرى الجزئية (PLS) ، إلخ. 31 ، 32 ، 33 ، 34. عاملان رئيسيان (عدد أجهزة الاستشعار ، التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بنوع مادة الاستشعار ، والتحليل الحسابي) مهمان لتحسين قدرة الأنف الإلكترونية التعرف على الغازات 169.ومع ذلك ، فإن زيادة عدد المستشعرات تتطلب عادةً العديد من عمليات التصنيع المعقدة ، لذلك من الضروري إيجاد طريقة بسيطة لتحسين أداء الأنف الإلكتروني.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي تعديل MOS بمواد أخرى إلى زيادة انتقائية المستشعر.على سبيل المثال ، يمكن تحقيق الكشف الانتقائي عن H2 بسبب النشاط التحفيزي الجيد لـ MOS المعدل باستخدام NP Pd.في السنوات الأخيرة ، قام بعض الباحثين بتغطية سطح MOS MOF لتحسين انتقائية المستشعر من خلال استبعاد الحجم.مستوحى من هذا العمل ، قد يحل التفعيل المادي مشكلة الانتقائية بطريقة ما.ومع ذلك ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به في اختيار المواد المناسبة.
تعد قابلية تكرار خصائص أجهزة الاستشعار المصنعة في ظل نفس الظروف والأساليب مطلبًا مهمًا آخر للإنتاج على نطاق واسع والتطبيقات العملية.عادةً ما تكون طرق الطرد المركزي والغمس طرقًا منخفضة التكلفة لتصنيع مستشعرات الغاز عالية الإنتاجية.ومع ذلك ، خلال هذه العمليات ، تميل المادة الحساسة إلى التجميع وتصبح العلاقة بين المادة الحساسة والركيزة ضعيفة 68 ، 138 ، 168. ونتيجة لذلك ، تتدهور حساسية واستقرار المستشعر بشكل كبير ، ويصبح الأداء قابلاً للتكرار.تسمح طرق التصنيع الأخرى مثل الرش ، ALD ، ترسيب الليزر النبضي (PLD) ، وترسيب البخار الفيزيائي (PVD) بإنتاج أفلام MOS ثنائية الطبقات أو متعددة الطبقات مباشرة على ركائز من السيليكون أو الألومينا المنقوشة.تتجنب هذه التقنيات تراكم المواد الحساسة ، وتضمن إمكانية استنساخ المستشعرات ، وتوضح جدوى الإنتاج على نطاق واسع لأجهزة استشعار الأغشية الرقيقة المستوية.ومع ذلك ، فإن حساسية هذه الأفلام المسطحة تكون عمومًا أقل بكثير من حساسية المواد النانوية ثلاثية الأبعاد نظرًا لمساحة سطحها الصغيرة المحددة ونفاذية الغاز المنخفضة.تعد الاستراتيجيات الجديدة لتنمية الهياكل المتجانسة MOS غير المتجانسة في مواقع محددة على المصفوفات الدقيقة المنظمة والتحكم الدقيق في حجم وسمك وتشكل المواد الحساسة أمرًا بالغ الأهمية للتصنيع منخفض التكلفة لأجهزة الاستشعار على مستوى الرقاقة مع قابلية استنساخ عالية وحساسية.على سبيل المثال ، Liu et al.اقترح 174 استراتيجية مجمعة من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى لتصنيع بلورات عالية الإنتاجية من خلال النمو في الموقع Ni (OH) 2 nanowalls في مواقع محددة..رقائق للمحرقات الدقيقة.
بالإضافة إلى ذلك ، من المهم أيضًا مراعاة تأثير الرطوبة على المستشعر في التطبيقات العملية.يمكن لجزيئات الماء أن تتنافس مع جزيئات الأكسجين في مواقع الامتزاز في مواد الاستشعار وتؤثر على مسؤولية المستشعر عن الغاز المستهدف.مثل الأكسجين ، يعمل الماء كجزيء من خلال الامتصاص الفيزيائي ، ويمكن أن يوجد أيضًا في شكل جذور الهيدروكسيل أو مجموعات الهيدروكسيل في مجموعة متنوعة من محطات الأكسدة من خلال الامتصاص الكيميائي.بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للمستوى العالي والرطوبة المتغيرة للبيئة ، فإن الاستجابة الموثوقة من المستشعر للغاز المستهدف تمثل مشكلة كبيرة.تم تطوير العديد من الإستراتيجيات لمعالجة هذه المشكلة ، مثل التركيز المسبق للغاز 177 ، وتعويض الرطوبة وطرق الشبكة التفاعلية المتصالبة 178 ، بالإضافة إلى طرق التجفيف 179،180.ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب مكلفة ومعقدة وتقلل من حساسية المستشعر.تم اقتراح العديد من الاستراتيجيات غير المكلفة لقمع تأثيرات الرطوبة.على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي تزيين SnO2 بجسيمات نانوية Pd إلى تعزيز تحويل الأكسجين الممتص إلى جزيئات أنيونية ، في حين أن استخدام SnO2 بمواد ذات تقارب كبير لجزيئات الماء ، مثل NiO و CuO ، هما طريقتان لمنع الاعتماد على الرطوبة على جزيئات الماء..أجهزة الاستشعار 181 ، 182 ، 183. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا تقليل تأثير الرطوبة باستخدام مواد كارهة للماء لتشكيل أسطح كارهة للماء 36.138.184.185.ومع ذلك ، لا يزال تطوير مستشعرات الغاز المقاومة للرطوبة في مرحلة مبكرة ، وهناك حاجة إلى استراتيجيات أكثر تقدمًا لمعالجة هذه المشكلات.
في الختام ، تم تحقيق تحسينات في أداء الكشف (على سبيل المثال ، الحساسية والانتقائية ودرجة حرارة التشغيل المثلى المنخفضة) من خلال إنشاء هياكل متغايرة MOS ، وتم اقتراح آليات كشف محسنة متنوعة.عند دراسة آلية الاستشعار لجهاز استشعار معين ، يجب أيضًا مراعاة البنية الهندسية للجهاز.ستكون هناك حاجة للبحث في مواد الاستشعار الجديدة والبحث في استراتيجيات التصنيع المتقدمة لزيادة تحسين أداء مستشعرات الغاز والتصدي للتحديات المتبقية في المستقبل.من أجل الضبط المتحكم فيه لخصائص المستشعر ، من الضروري بناء علاقة منهجية بين الطريقة التركيبية لمواد المستشعر ووظيفة الهياكل المتجانسة.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد دراسة التفاعلات السطحية والتغيرات في الواجهات غير المتجانسة باستخدام طرق التوصيف الحديثة في توضيح آليات إدراكها وتقديم توصيات لتطوير أجهزة الاستشعار بناءً على المواد غير المتجانسة.أخيرًا ، قد تسمح دراسة استراتيجيات تصنيع أجهزة الاستشعار الحديثة بتصنيع مستشعرات الغاز المصغرة على مستوى الرقاقة لتطبيقاتها الصناعية.
جينزل ، إن إن وآخرون.دراسة طولية لمستويات ثاني أكسيد النيتروجين في الأماكن المغلقة وأعراض الجهاز التنفسي لدى الأطفال المصابين بالربو في المناطق الحضرية.حي.منظور صحي.116 ، 1428-1432 (2008).


الوقت ما بعد: نوفمبر 04-2022