Ac response to humidity and propane of sprayed Fe–Zn oxide films
A. Avila–Garcíaª*, M. García–Hipólitob, and Y. Matsumoto–Kuwabaraª
ª Sección de Electrónica del Estado Sólido, Departamento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV del Instituto Politécnico Nacional, Apartado Postal 14–740, G.A. Madero 07360, D.F., México. *e–mail: aavila@cinvestav.mx
b Instituto de Investigaciónes en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México, Apartado Postal 70–360, Coyoacán, 04510México, D.F., México.
Recibido el 29 de febrero de 2008 ]]> Aceptado el 3 de julio de 2009
Abstract
Iron–zinc oxide films with different Zn contents were ultrasonically sprayed on glass substrates and inter–digital gold electrodes were evaporated on them. Films were deposited from solutions containing 2, 10 and 30 at.% Zn. Hematite, amorphous and Franklinite structures resulted, respectively. They were assessed as humidity and propane detectors under alternating–current conditions for frequencies from 1 to 105 Hz and two temperatures: 30 and 250°C. Their impedances in dry air, humid air and humid air plus propane were determined from voltage measurements with a Lock–In amplifier. Sensitivity values to both humidity (53% RH.) and 189, 500 and 786 ppm of propane from the response of the real and imaginary parts of the impedance and also the total impedance were determined as functions of frequency. Maximum sensitivity for each case and the corresponding frequency are reported. The maximum sensitivity to humidity ranges from 24% up to 308%. In the case of propane, the maximum sensitivity ranges from 45% up to 711%. The largest sensitivity values correspond in all cases to the imaginary part of the impedance. From the dynamical response, the response and recovery times are determined, along with the concentration–dependence of the sensitivity. The sensing mechanisms are also discussed.
Keywords: Iron–zinc oxide films; ultrasonic spray pyrolysis; AC measurements; humidity and propane sensors.
Resumen
Se depositaron peliculas de óxido de fierro con distintos contenidos de Zn sobre subestratos de vidrio y se les evaporaron electrodos interdigitados de oro. Se usaron soluciones conteniendo 2, 10 y 30% atomico de Zn. Resultaron películas con estructuras de hematita, amorfa y franklinita, respectivamente. Tales estructuras fueron probadas como sensores de humedad y propano bajo condiciones de corriente alterna para frecuencias entre 1 y 105 Hz y a dos temperaturas: 30 y 250°C. Se calcularon sus impedancias en aire seco, aire húmedo y aire húmedo más propano, mediante mediciones de voltaje con un amplificador Lock–In. Se determinaron los valores de sensibilidad a la humedad (53% HR) y a 189, 500 y 786 ppm de propano de las respuestas de la partes real e imaginaria de la impedancia y también de la impedancia total, como funciones de la frecuencia. Se reportan la máxima sensibilidad para cada caso y la frecuencia correspondiente. La sensibilidad máxima a la humedad está entre 24% y 308%. En el caso de propano, la sensibilidad va desde 45% hasta 711%. La mayor sensibilidad corresponde en todos los casos a la parte imaginaria de la impedancia. Se determinan los tiempos de respuesta y de recuperacion de la respuesta dinámica, además de la dependencia de la sensibilidad con la concentración. Se comentan los mecanismos de sensado.
Descriptores: Películas de óxido de fierro–zinc; rocío químico ultrasónico; mediciones en CA; sensores de humedad y de propano.
]]> PACS: 73.25.+i; 73.61.Le; 73.90.+f
DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF
Acknowledgements
Help with the sample preparation is gratefully acknowledged to M. Sc. Carlos Torres Frausto and Miss Enriqueta Aguilar Valencia. Also, help with drawing of Fig. 1 is acknowledged to M. Sc. Gaspar Casados.
References
1. G. Heiland, Sensors and Actuators 2 (1981)343. [ Links ]
2. Yu–De Wang, Chun–Lai Ma, Xing–Hui Wu, Wiao–Dan Sun, and Heng–De Li, Talanta 57 (2002) 875. [ Links ]
3. B.L. Zhu, C.S. Xie, W.Y. Wang, K.J. Huang, and J.H. Hu, Materials Letters 58 (2004) 624. [ Links ]
4. V.R. Shinde, T.P. Gujar, C.D. Lokhande, R.S. Mane, and Sung–Hwan Han, Materials Science and Engineering: B 137 (2007) 119. [ Links ]
5. Jun Tamaki, Atsushi Hayashi, Yoshifumi Yamamoto, and Masao Matsuoka, Sensors and Actuators B: Chemical 95 (2003) 111. [ Links ]
6. V. Khatko et al., Sensors and Actuators B, Chemical 111–112 (2005) 45. [ Links ]
7. B.K. Miremadi, R.C. Singh, Z. Chen, S. Roy Morrison, and K. Colbow, Sensors and Actuators B: Chemical 21 (1994) 1. [ Links ]
8. Jing Du, Yiquan Wu, and Kwang–Leong Choy, Thin Solid Films 497 (2006) 42. [ Links ]
9. Wan–Young Chung and Duk–Dong Lee, Thin Solid Films 200 (1991) 329. [ Links ]
10. G. Neri, A. Bonavita, S. Galvagno, N. Donato, and A. Caddemi, Sensors and Actuators B, Chemical 111–112 (2005) 71. [ Links ]
11. Udo Weimar and Wolfgang Gopel, Sensors and Actuators B, Chemical 26–27 (1995) 13. [ Links ]
12. C. Torres Frausto, M.Sc. Thesis, Sección de Electrónica del Estado Solido, Dep. de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV del I.P.N., México, D.F., November 2005. [ Links ]
13. C. Torres Frausto and A. Avila García, Proceedings of the 2004 1st International Conference on Electrical and Electronics Engineering, Acapulco, Guerrero, México, September, 2004, 282. [ Links ]
14. J.R. Macdonald, J. Schoonman, and A.P. Lehnen, Solid State Ionics 5 (1981) 137. [ Links ]
15. T. Sahm, A. Gurlo, N Brsan, and U. Weimar, Sensors and Actuators B 118 (2006) 78. [ Links ]
16. D.M. Smyth, The defect chemistry of metal oxides (Oxford University Press, New York, 2000). [ Links ]
17. C. Nai–Sheng, Y. Xiao–Juan, L. Er–Sheng, and H. Jin–Ling, Sensors and Actuators B 66 (2000) 178. [ Links ]
18. M. Pelino, C. Cantalini, H.T. Sun, and M. Faccio, Sensors and Actuators B 46 (1998) 186. [ Links ] ]]>