Design, fabrication and characterization of thick-film gas sensors

by Tsolov, Peter

RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL Título: Diseño, fabricación y caracterización de sensores de capa gruesa Doctorando: Peter Tsolov Ivanov Director: Xavier Correig Blanchar Los sensores de gases de estado sólido han demostrado ser muy prometedores para supervisar la emisión de los agentes contaminadores en el aire, porque son una opción de bajo coste para la construcción de analizadores de gases. Algunos problemas se relacionados con este tipo de dispositivos, especialmente su baja selectividad y el alto consumo de energía, siguen sin resolver. El objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de nuevos sensores y matrices de sensores con mejorada selectividad y reducido consumo de energía. La metodología usada en esta tesis consiste en fabricar matrices de sensores hechas de sensores con distintas selectividades. Como la respuesta del sensor es diferente en distintas temperaturas de trabajo y como los distintos dopantes o los filtros catalíticos aceleran o reducen la respuesta del sensor, los diferentes sensores dan diferentes reacciones. Combinando estas reacciones y con la ayuda de técnicas del reconocimiento de patrones, se pueden crear grupos de sensores capaces de distinguir entre distintos agentes contaminantes. La tesis comienza repasando los métodos usados para la fabricación de los sensores de gases y discutiendo los problemas relacionados con la baja selectividad de los óxidos metálicos. Se especifican también los diferentes métodos para aumentar la selectividad. Se introduce y se describe detalladamente la técnica de screen-printing. Los experimentos se realizaron con cuatro tipos de substratos de sensores (cerámica, silicio, microhotplate y silicon-on-insulator) y con más de 15 capas activas basadas en dióxido de estaño y trióxido de tungsteno (puras y dopadas con oro, platino, plata, titanio y paladio). Una amplia variedad de compuestos volátiles (amoníaco, etanol, acetona y benceno), de gases (monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, metano y sulfuro de PhD thesis of Peter Tsolov Ivanov Resumen de la tesis doctoral hidrógeno) y de algunas mezclas binarias ha sido medida. Los resultados obtenidos por los análisis cuantitativos y cualitativos de los gases estudiados con una matriz de sensores basada en cuatro sensores simples nos han llevado a descubrir el óptimo sensor/matriz para los distintos gases/mezclas binarias. Los resultados demostraron que, con la ayuda de redes neuronales Fuzzy ARTMAP, es posible identificar y cuantificar simultáneamente los gases analizados usando solamente una matriz de microhotplates (cuatro sensores) con la misma capa activa. Los sensores de SnO2 y de WO3 dopados demostraron diversa respuesta a los agentes contaminantes probados. Componiendo cuidadosamente la matriz de sensores y definiendo bien la temperatura de trabajo podemos discriminar, con un alto grado de éxito, los diversos gases probados sin la necesidad de técnicas de reconocimiento de patrones. La conclusión principal que se puede sacar de esta tesis es que las matrices de sensores, junto con las técnicas de reconocimiento de patrones, se pueden utilizar para aumentar perceptiblemente la selectividad de los sensores de óxidos metálicos. La simplicidad de los métodos propuestos permite su uso en el desarrollo de analizadores de gases más baratos y narices electrónicas portátiles. A partir de la investigación realizada durante esta tesis doctoral se han elaborado 15 artículos publicados en revistas internacionales, 10 comunicaciones en las conferencias internacionales y 3 comunicaciones en conferencias españolas. PhD thesis of Peter Tsolov Ivanov Resume of the doctoral thesis