Surface acoustic wave devices for gas sensing applications

Abstract

The scope of this work lies on the implementation of a sensing technique for detecting minute hazardous gas concentrations, in the parts-per-billion (ppb) range, with high sensitivity, high repeatability, low response speed, and close to room temperature RT conditions, utilizing metal-oxide thin films as active layers on top of Surface Acoustic Wave (SAW) structures and devices.Regarding gas sensing employing surface acoustic waves, the main sensing mechanism lies on the active layer’s conductivity variations towards either reducing or oxidizing gases which in turn are being transformed to acoustic wave velocity changes and consequently to centre frequency shifts of the transmitted wave.In2O3-x and ZnO were the two metal-oxide candidates employed as active layers for gas sensing on top of SAW structures and devices. These materials were deposited mainly via two methods. Aerosol Spray Pyrolysis (home-made device apparatus) and DC Magnetron Sputtering were the two techniques used for depositing ZnO while DC Magnetron Sputtering was used for depositing In2O3-x.Comparable study on structural, morphological, optical, and electrical as well as preliminary conductometric measurements of these films towards extremely low ozone concentrations allowed for the proper material selection along with its optimum deposition parameters.Upon achieving detection of extremely low ozone concentrations through conventional conductometric techniques, In2O3-x thin films have been deposited on top of layered SAW structures and commercial SAW filters operating at various centre frequencies.Finally, sensitivity measurements have been carried out towards different gas concentrations, at various temperatures utilizing a home-made setup.

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η έρευνα για την ανάπτυξη και εφαρμογή μιας τεχνικής ανίχνευσης επιβλαβών αερίων πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων, που να επιδεικνύει πολύ υψηλή ευαισθησία, μικρό χρόνο απόκρισης, υψηλή αξιοπιστία-επαναληψιμότητα, και όσο το δυνατόν χαμηλότερη (κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος) θερμοκρασία λειτουργίας.Η τεχνική ανίχνευσης που χρησιμοποιήθηκε βασίστηκε στη διάδοση ακουστικών κυμάτων επιφανείας ώστε να επιτευχθεί υψηλό επίπεδο ευαισθησίας και αξιοπιστίας. Πιο συγκεκριμένα όταν υμένια μη στοιχειομετρικών οξειδίων όπως Ινδίου (In) και Ψευδαργύρου (Zn) εναποτεθούν ως υλικά ανίχνευσης (ενεργά υλικά), πάνω σε διατάξεις που επιτρέπουν τη διάδοση ακουστικών κυμάτων επιφανείας (Surface Acoustic Wave devices) τότε οποιαδήποτε μεταβολή της αγωγιμότητας των υμενίων αυτών παρουσία είτε αναγωγικών (CO, H2) είτε οξειδωτικών (ΝΟ2, Ο3) αερίων καταγράφεται σαν μεταβολή της ταχύτητας διάδοσης του κύματος και συνεπώς της κεντρικής συχνότητας διάδοσής του.Για το σκοπό αυτό, ως ενεργά υλικά, αναπτύχθηκαν υμένια οξειδίων Ινδίου (In) και Ψευδαργύρου (Zn) χρησιμοποιώντας κυρίως δύο τεχνικές ανάπτυξης, DC Magnetron Sputtering και Aerosol spray Pyrolysis. Πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη δομικών, οπτικών, ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των υμενίων όπως και αρχικές μετρήσεις ευαισθησίας των υλικών αυτών κατά την έκθεσή τους σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις όζοντος της τάξεως των ppb (parts per billion) ώστε να προσδιοριστεί τόσο το κατάλληλο υλικό όσο και οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξής του.Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκε εναπόθεση λεπτών υμενίων οξειδίου του Ινδίου τόσο πάνω σε δομές SAW που αναπτύθηκαν τόσο σε εργαστηριακό επίπεδο (SAW Delay Lines) όσο και σε εμπορικές διατάξεις-φίλτρα SAW.Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ευαισθησίας αυτών των αισθητήρων σε διαφορετικά αέρια, υπό διαφορετικές συγκεντρώσεις και σε διαφορετικές θερμοκρασίες, χρησιμοποιώντας μία home-made πειραματική διάταξη ανίχνευσης.