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Development of Highly Sensitive and Stable Surface Acoustic Wave‐Based Hydrogen Sensor and Its Interface Electronics

材料科学 声表面波 氢传感器 X射线光电子能谱 吸附 声表面波传感器 兴奋剂 分析化学(期刊) 重复性 光电子学 纳米技术 光学 核磁共振 化学 物理 催化作用 生物化学 有机化学 色谱法
作者
Sihyeok Kim,Gurpreet Singh,Keekeun Lee
出处
期刊:Advanced materials and technologies [Wiley]
卷期号:7 (10) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/admt.202200180
摘要

Abstract A surface acoustic wave (SAW)‐based hydrogen sensor and its corresponding interface electronics have been developed to measure the hydrogen concentration in air at room temperature. Two SAW delay lines with center frequencies of 284 and 284.3 MHz are employed for the sensor system to eliminate any environmental disturbances emerging from temperature and humidity variations on a sensor output. A beehive‐configured and Cu‐doped SnO 2 nanostructure is used as a hydrogen‐sensitive material to have a high surface to volume ratio, high sensitivity, and selectivity for the target hydrogen. The smallest frequency difference detectable in our sensor system including oscillator, mixer, low pass filter, comparator, and field programmable gate array (FPGA) was ≈1 Hz, which is a significant output value that can sufficiently detect hydrogen concentrations below 1 ppm. Compared with pure SnO 2 , 3D Cu (3%)‐doped SnO 2 nanostructure based‐SAW sensor exhibited the highest response to hydrogen gas. The elevated response of the 3D Cu‐doped SnO 2 based SAW sensor to hydrogen gas is mainly attributed to the acoustoelectric interaction. Photoluminescence and X‐ray photoelectron spectroscopy analysis divulged that Cu‐doping in SnO 2 produces a large number of surface oxygen vacancies, which enhances the hydrogen adsorption on the SnO 2 surface, resulting in a significant improvement in the response to hydrogen gas. The sensor characteristics at the system level showed excellent selectivity, repeatability, and long‐term stability to hydrogen gas. The sensing mechanisms (mass loading and acoustoelectric interaction) in the SAW sensor due to hydrogen adsorption have been experimentally investigated and the obtained results are discussed in detail.

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