IT201900007229A1 - Sensore di gas chemoresistivo - Google Patents
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Description
Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
"Sensore di gas chemoresistivo”
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un sensore di tipo chemoresistivo per la rilevazione della quantità di un gas target in una miscela di gas.
Tecnica nota
Sono noti sensori di gas di tipo chemoresistivo, in cui viene applicata un potenziale costante tra due semi-elementi conduttivi di un elettrodo interdigitato, tra i quali è deposto uno strato sottile comprendente un semiconduttore nanostrutturato (ossia provvisto di nanoparticelle di semiconduttori). Fornendo un’idonea energia di attivazione ai semiconduttori, normalmente mantenendoli ad una temperatura elevata, che può essere compresa tra i 200 e i 400 °C a seconda della tipologia, si provoca la riduzione o l’ossidazione sulla loro superficie del gas target, ossia del gas da rilevare. Tali reazioni di riduzione o ossidazione provocano un cambiamento nella concentrazione delle cariche superficiali sullo strato semiconduttore nanostrutturato, in particolare rispettivamente una diminuzione o un aumento di elettroni nella banda di conduzione. Pertanto, cambia altresì la conduttività elettrica dello strato semiconduttore e varia la corrente che scorre tra i due elettrodi. Tale variazione è legata alla quantità di gas target, che può quindi essere misurata dal sensore.
Sensori siffatti trovano svariate applicazioni, quali ad esempio: monitoraggio ambientale, controllo dei processi chimici, controllo qualità nella produzione industriale, nella protezione ambientale e nella sicurezza sul lavoro, monitoraggio della qualità dell’aria nelle aree urbane, applicazioni mediche.
Con particolare riferimento alle applicazioni mediche, in tempi recenti ha avuto un notevole sviluppo la diagnostica medica non invasiva basata sull’analisi del respiro. Il respiro umano include principalmente N2, O2, CO2, H2O e altri gas inerti. Esiste poi una piccola frazione del respiro che comprende ulteriori composti organici volatili (VOC) con concentrazioni molto basse (dell’ordine di grandezza compreso tra parti per milione e parti per trilione), quali: ammoniaca, acetone, isoprene, metanolo, etanolo, propanolo, acetaldeide.
E’ noto in letteratura medica che la presenza in certe quantità dei VOC presenti nel respiro umano è correlata a certe malattie. Ad esempio, alti livelli di etano e pentano possono indicare malattie respiratorie; alti livelli di acetone possono essere collegati a problemi nel metabolismo del destrosio e al diabete; alta concentrazione di composti contenenti zolfo può indicare insufficienza epatica o rigetto di allotrapianto; elevate concentrazioni di NO e/o NO2 possono indicare asma atopica o infiammazione polmonare.
Pertanto è nata l’esigenza di avere a disposizione sensori in grado di rilevare in maniera semplice la concentrazione di VOC nel respiro a scopo diagnostico.
Tali sensori devono avere un’alta sensibilità (data la bassissima concentrazione dei VOC nel respiro) e un’elevata selettività, ossia la capacità di distinguere in maniera sufficientemente affidabile i diversi gas. Inoltre, tali sensori dovrebbero garantire risposte rapide, elevata sensibilità anche in presenza di umidità e preferibilmente bassi costi di produzione e manutenzione.
I sensori a base di semiconduttori nanostrutturati di tipo chemoresistivo rappresentano una tipologia di sensore di gas aventi le potenzialità per raggiungere tali scopi. Tali sensori tuttavia presentano ancora dei problemi che li rendono di difficile applicazione, specialmente nel settore medico. In particolare, come detto, essi lavorano a temperature tra i 200 e i 400 °C, cosa che li rende di difficile utilizzo in dispositivi portatili, per la scarsa maneggiabilità legata all’utilizzo di un circuito di riscaldamento/raffreddamento. Inoltre, l’ottenimento di un’adeguata selettività, necessaria per distinguere tra loro ad esempio i molteplici VOC presenti nel respiro umano, risulta tutt’oggi ancora problematico.
Breve sommario dell’invenzione
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di rendere disponibile un sensore di gas avente adeguate sensibilità e selettività e che sia in grado di lavorare a basse temperature, in modo tale che il sensore possa essere utilizzato a scopo diagnostico, ma anche, più in generale, per ridurre i consumi energetici associati al sensore.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti da un sensore di gas secondo la rivendicazione 1.
Le rivendicazioni dipendenti definiscono possibili vantaggiose forme di realizzazione dell’invenzione.
Breve descrizione dei disegni
Per meglio comprendere l’invenzione ed apprezzarne i vantaggi verranno di seguito descritte alcune sue forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle annesse figure, in cui:
la figura 1 è un’illustrazione schematica in prospettiva di un sensore di gas secondo una forma di realizzazione dell’invenzione.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Con riferimento alle annesse figure, un sensore di gas chemoresistivo è complessivamente indicato con il riferimento 1.
Il sensore di gas 1 comprende un elettrodo 10, preferibilmente interdigitato, avente un primo 2 ed un secondo 3 semi-elemento conduttore, ai quali può essere applicata una tensione (ad esempio per mezzo di contatti metallici 5 e 6), preferibilmente costante da parte di una sorgente di tensione (non mostrata nelle figure). Il sensore 1 comprende inoltre uno strato attivo 7 tale da consentire il collegamento elettrico tra il primo 2 ed il secondo 3 semielemento conduttivo. In accordo con una forma di realizzazione, il sensore 1 comprende un substrato 4 su cui i semi-elementi conduttivi 2 e 3 nonché lo strato attivo 7 sono depositati.
Lo strato attivo 7 è realizzato in un materiale composito comprendente una matrice carboniosa e nanoparticelle semiconduttive a base metallo ossido intimamente legate alla matrice carboniosa.
In accordo con una forma di realizzazione, la matrice carboniosa è realizzata in grafene o in derivati del grafene. Il grafene è un materiale non semiconduttore che si caratterizza per alta resistenza meccanica, buona stabilità termica, conduttività elettrica, elevata mobilità dei portatori di carica a temperatura ambiente, basso rumore elettrico grazie alla sua conformazione a reticolo a nido d'ape. Inoltre, il grafene e i suoi derivati sono economici e facili da produrre su larga scala. Secondo una forma di realizzazione, la matrice carboniosa è realizzata in ossido di grafene.
Le nanoparticelle di ossido di metallo possono essere di differente natura a seconda del o dei gas che si intendono rilevare e possono includere ad esempio uno o più tra: ZnO, SnO2, TiO2, WO3, In2O3, Cu2O, NiO, da sole o in combinazione tra loro per incrementare la selettività del sensore. Ad esempio, le combinazioni SnO2-TiO2 e NiO-SnO2 migliorano il sensing nei confronti di acetone; alta selettività all’etanolo può essere, invece, raggiunta grazie alla combinazione fra ZnO e SnO2 nanometrici.
Secondo una possibile forma di realizzazione, il sensore 1 comprende un riscaldatore 8 tale da riscaldare lo strato attivo 7 e termoattivare le nanoparticelle di metallo ossido semiconduttive.
In alternativa o in aggiunta al riscaldatore, il sensore 1 comprende una sorgente di luce ultravioletta (UV) 9, ad esempio una sorgente UV o visibile, tale da illuminare lo strato attivo 4 e fotoattivare le nanoparticelle di ossido di metallo semiconduttive.
E’ stato osservato che gli effetti sinergici tra la matrice carboniosa e tali nanoparticelle di ossido di metallo (che di per sé richiederebbero temperature generalmente superiori ai 300 °C per essere attivate) consentono di ridurre la temperatura (fino a temperatura ambiente) a cui va mantenuto lo strato attivo 7.
Infatti, il grafene o l’ossido di grafene consentono di ottenere una elevata conduttività dello strato attivo.
Inoltre, l’impiego in particolare dell’ossido di grafene consente di aumentare la quantità di elettroni nella banda di conduzione nell'ossido di metallo sulla sua superficie. Grazie alla presenza di un numero elevato di elettroni eccitati, molte più specie di ossigeno (O<- >and O<2->) altamente reattive sono debolmente adsorbite sulla superficie dello strato attivo 7. Queste specie possono reagire con i gas target, provocando quindi l'effettiva variazione di corrente/resistenza. Quindi, maggiore è la disponibilità di specie ossigeno adsorbite, più intensa è la risposta finale. In questo modo, la sensibilità del sensore 1 nei confronti dei differenti gas sarà molto elevata.
In accordo con una forma di realizzazione, le nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo sono drogate con specie aventi funzioni catalitiche nei confronti di una specifica molecola. Ad esempio, il drogaggio può avvenire mediante metalli o mediante non metalli. Il drogaggio produce un miglioramento significativo della risposta del sensore.
In accordo con una forma di realizzazione, le nanoparticelle di ossido di metallo semiconduttore sono decorate esternamente con nanoparticelle metalliche o non metalliche.
I metalli impiegati per il drogaggio e/o per la decorazione, possono includere metalli nobili (rutenio, rodio, palladio, argento, osmio, iridio, platino e oro), mentre i non-metalli possono includere silicio, fosforo, azoto o zolfo. In definitiva, le nanoparticelle di metalli nobili/non metalli catalitici possono facilitare la dissociazione delle molecole di gas, incrementando così la sensibilità del gas e aumentando la conduttività elettronica. Ad esempio, nanoparticelle di ossido di stagno decorate con nanoparticelle di argento hanno elevata selettività nei confronti di molecole di etanolo. Parallelamente, nanomateriali a base ossido di tungsteno drogato silicio mostrano buona attività sensoristica nei confronti dell’acetone presente in una miscela complessa di gas, quale ad esempio il respiro umano.
In accordo con una forma di realizzazione, il sensore 1 comprende uno o più filtri atti a ridurre la quantità di specie ulteriori rispetto al gas target che possono interferire con lo strato attivo 7. Ad esempio, tali filtri possono includere un filtro fisico per ridurre la quantità di vapore acqueo, che è il principale interferente nel caso in cui il sensore analizzi il respiro umano.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, un sensore complesso comprende un array di sensori ciascuno realizzato in accordo con l’invenzione, in cui lo strato attivo 7 di ciascun sensore dell’array è realizzato in maniera tale che tale sensore sia selettivo verso uno specifico gas target. In questo modo, il sensore complesso è in grado di rilevare selettivamente più gas contemporaneamente mediante ciascuno dei sensori dell’array.
Alla descrizione sopra fornita la persona esperta, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti specifiche, potrà apportare numerose aggiunte, modifiche, o sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza tuttavia uscire dall’ambito delle annesse rivendicazioni.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Sensore chemoresistivo (1) per la rilevazione della quantità di un gas target in una miscela di gas, comprendente un elettrodo (10) avente un primo (2) ed un secondo (3) semi-elemento conduttivo e uno strato attivo (7) tale da consentire il collegamento elettrico tra il primo (2) ed il secondo (3) semielemento conduttivo dell’elettrodo (10), in cui lo strato attivo (7) è realizzato in un materiale composito comprendente una matrice carboniosa e nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo legate alla matrice carboniosa.
- 2. Sensore chemoresistivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta matrice carboniosa dello strato attivo (7) è realizzata in grafene o in derivati del grafene.
- 3. Sensore chemoresistivo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta matrice carboniosa dello strato attivo (7) è realizzata in ossido di grafene.
- 4. Sensore chemoresistivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo comprendono uno o più tra: ZnO, SnO2, TiO2, WO3, In2O3, Cu2O, NiO.
- 5. Sensore chemoresistivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo sono drogate con specie aventi funzioni catalitiche nei confronti della molecola di uno specifico gas target.
- 6. Sensore chemoresistivo (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui dette nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo sono drogate mediante metalli scelti nel gruppo composto da rutenio, rodio, palladio, argento, osmio, iridio, platino e oro e/o mediante non metalli scelti nel gruppo composto da silicio, fosforo, azoto e zolfo.
- 7. Sensore chemoresistivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo sono decorate con nanoparticelle di metalli e/o di non metalli.
- 8. Sensore chemoresistivo (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui dette nanoparticelle di metalli sono scelte nel gruppo composto da rutenio, rodio, palladio, argento, osmio, iridio, platino e oro, e dette nanoparticelle di nonmetalli sono scelte nel gruppo composto da silicio, fosforo, azoto e zolfo.
- 9. Sensore chemoresistivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un riscaldatore tale da riscaldare (8) detto strato attivo (7) e termoattivare le nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo.
- 10. Sensore chemoresistivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una sorgente di luce ultravioletta o visibile (9) tale da illuminare detto strato attivo (7) e fotoattivare le nanoparticelle semiconduttive di ossido di metallo.
- 11. Sensore chemoresistivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente uno o più filtri fisici atti a ridurre la quantità di specie ulteriori rispetto al gas target interferenti con lo strato attivo (7).
- 12. Sensore chemoresistivo (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti filtri fisici comprendono un filtro fisico per ridurre la quantità di vapore acqueo.
- 13. Sensore complesso comprendente un array di sensori chemoresistivi ciascuno realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato attivo (7) di ciascun sensore chemoresistivo dell’array è realizzato in maniera tale che tale sensore sia selettivo verso uno specifico gas target.
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| KR20160040884A (ko) * | 2014-10-06 | 2016-04-15 | 울산대학교 산학협력단 | 은 나노입자가 코팅된 산화아연-그래핀 하이브리드 기반 아세틸렌 가스센서 및 그의 제조방법 |
| US20190107524A1 (en) * | 2017-06-20 | 2019-04-11 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Graphene-based ppb level sulfur detector in fuels |
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2019
- 2019-05-24 IT IT102019000007229A patent/IT201900007229A1/it unknown
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