Датчики | Бесплатный полнотекстовый | Физические исследования фотоиндуцированных датчиков Холла без смещения на основе переходов Шоттки Pt/GaAs и Pt/Si

Обзор сенсоров газа на основе углеродных нанотрубок

Датчики газа привлекли повышенный интерес исследователей из-за спроса на чувствительные, быстродействующие и стабильные датчики для промышленности, мониторинга окружающей среды, биомедицины и т. д. Развитие нанотехнологий создало огромный потенциал для создания высокочувствительных, недорогих портативных датчиков с низким энергопотреблением. Чрезвычайно высокое отношение поверхности к объему и полая структура наноматериалов идеально подходят для адсорбции молекул газа. В частности, появление углеродных нанотрубок (УНТ) подтолкнуло к изобретениям газовых сенсоров, использующих уникальную геометрию, морфологию и свойства материала УНТ. При воздействии определенных газов изменение свойств УНТ можно обнаружить различными методами. Поэтому газовые сенсоры на основе УНТ и их механизмы в последнее время широко изучаются. В этой статье представлен широкий, но все же глубокий обзор современных технологий обнаружения газа на основе УНТ. Рассматриваются как экспериментальные работы, так и теоретические модели. Обсуждаются конструкция, изготовление и чувствительные механизмы газовых сенсоров на основе УНТ. Проблемы и перспективы исследования также рассматриваются в этом обзоре.

1. Введение

Датчики газа или химические датчики вызывают огромный интерес из-за их широкого применения в промышленности, мониторинге окружающей среды, исследовании космоса, биомедицине и фармацевтике. Датчики газа с высокой чувствительностью и селективностью необходимы для обнаружения утечек взрывоопасных газов, таких как водород, а также для обнаружения токсичных или патогенных газов в реальном времени в промышленности. Существует также острая потребность в возможности отслеживать и контролировать нашу окружающую среду, особенно в связи с растущим беспокойством по поводу глобального потепления. Исследователи из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) стремятся использовать высокопроизводительные датчики газа для идентификации компонентов атмосферы различных планет. Кроме того, обнаружение нервно-паралитических веществ для национальной безопасности также находится в центре внимания общественности [1].

Как правило, существует несколько основных критериев хороших и эффективных газоанализаторов: (i) высокая чувствительность и селективность; (ii) быстрое время отклика и время восстановления; (iii) низкий расход аналитики; (iv) низкая рабочая температура и независимость от температуры; (v) стабильность в выступлениях. Обычно используемые газочувствительные материалы включают чувствительные к парам полимеры, полупроводниковые оксиды металлов и другие материалы с пористой структурой, такие как пористый кремний [2–4]. Поскольку наиболее распространенным принципом обнаружения газов является адсорбция и десорбция молекул газа на чувствительных материалах, вполне понятно, что за счет увеличения контактных поверхностей между аналитами и чувствительными материалами можно значительно повысить чувствительность.

Недавнее развитие нанотехнологий создало огромный потенциал для создания высокочувствительных, недорогих портативных датчиков с низким энергопотреблением. Чрезвычайно высокое отношение поверхности к объему и полая структура наноматериалов идеально подходят для адсорбции и хранения молекул газа. Поэтому широко исследуются газовые сенсоры на основе наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), нанопроволоки, нановолокна и наночастицы.

Углеродные нанотрубки, впервые открытые Иидзимой в 1991 году [5], привлекли наибольший интерес исследователей из-за их уникальной геометрии, морфологии и свойств. Их получение, свойства (такие как электронные, механические, термические и оптические свойства) и применение в различных областях интенсивно изучаются. Теоретические и моделирующие работы также были проведены для понимания этого наноразмерного материала и связанного с ним явления [6].

Углеродные нанотрубки относятся к семейству фуллереновых структур. Существует два типа нанотрубок: одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) и многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ). ОУНТ можно рассматривать как слой графита толщиной в один атом, свернутый в бесшовный цилиндр диаметром несколько нанометров и длиной порядка 1–100 микрон [7]. МУНТ состоят из нескольких слоев графита, свернутых вместе в форме трубки с общей центральной осью. Структура углеродных нанотрубок наделяет их уникальными электрическими, физическими и химическими свойствами. Механически УНТ являются самыми прочными и жесткими волокнами, известными в настоящее время благодаря связи С-С. Термически УНТ обладают высокой термической стабильностью как в вакууме, так и на воздухе. С точки зрения электрических свойств УНТ могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми, в зависимости от диаметра трубки и хиральности (направления, в котором графитовый лист прокатывается для формирования трубки) [8]. Хиральность обычно представляется целочисленной парой

Читайте также:
12 рецептов домашнего спрея для комнаты

(ненулевое целое число) являются металлическими, а все остальные полупроводниковыми. Диэлектрические свойства нанотрубок сильно анизотропны из-за их почти одномерной структуры, что может позволить нанотрубкам проводить большие токи с незначительным эффектом нагрева [9].

Изменение свойств УНТ или композитов на их основе при воздействии определенных газов можно обнаружить различными методами. В результате системы обнаружения газа на основе УНТ и теоретический анализ эффектов адсорбции газа и столкновения с нанотрубками стали предметом интенсивных исследований [10, 11]. В этой статье рассматривается текущее состояние технологий, связанных с газовыми датчиками УНТ. Эта статья организована следующим образом: в разделе 2 будут представлены методы синтеза УНТ и различные методы изготовления газовых сенсоров на основе УНТ; Раздел 3 будет посвящен моделированию и теоретическим работам по взаимодействию между УНТ и молекулами адсорбированного газа; в разделе 4 газовые датчики УНТ, основанные на различных механизмах обнаружения, будут кратко описаны с их конструкцией и поведением датчиков; В разделе 5 будет освещена функционализация УНТ и нанокомпозитов на основе УНТ для обнаружения газа; вывод о шансах и проблемах, с которыми сталкивается технология обнаружения газа УНТ, будет рассмотрен в разделе 6.

2. Изготовление газовых сенсоров УНТ
2.1. Рост УНТ

Три основных метода получения УНТ: (i) метод дугового разряда; (ii) метод лазерной абляции; (iii) метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) [12].

Метод угольно-дугового разряда является первым методом, который был использован для выращивания УНТ. Процесс проводят в вакуумной камере с двумя угольными электродами в качестве источника углерода. Подается инертный газ (обычно гелий) для увеличения скорости осаждения углерода. Когда между угольным анодом и катодом подается высокое постоянное напряжение, генерируется плазма инертного газа для испарения атомов углерода. Затем выброшенные атомы углерода осаждаются на отрицательном электроде, образуя УНТ. Этим методом можно выращивать как ОСНТ, так и МУНТ, в то время как для роста ОСНТ требуются катализаторы. Это основной метод производства высококачественных УНТ с почти идеальной структурой. В методе лазерной абляции углеродная мишень подвергается абляции интенсивными лазерными импульсами в печи в присутствии инертного газа и катализатора. УНТ формируются и собираются на холодной подложке. Как для дугового разряда, так и для лазерной абляции требуется высокая температура роста, которая составляет около 3000–4000°С.

для испарения атомов углерода из твердого источника углерода.

В системе CVD источник газообразного углеводорода (обычно метан, ацетилен или этилен) поступает в реакционную камеру. Молекулы углеводородов распадаются на реакционноспособные частицы в интервале температур 550–1000°С. Реакционноспособные частицы реагируют в присутствии катализаторов (обычно металлических частиц, таких как Ni, Fe или Co), которые нанесены на подложку, что приводит к образованию УНТ. По сравнению с первыми двумя методами; УНТ можно синтезировать при относительно низкой температуре методом CVD. Следовательно, этот метод более эффективен и позволяет увеличивать масштаб SWCNT. Путем модификации и расчетного управления параметрами роста вертикально ориентированный рост МУНТ может быть достигнут с помощью метода CVD. Это улучшает электронные свойства УНТ в различных приложениях. Высококачественные ОУНТ также могут быть получены путем оптимизации катализаторов. Однако одним из основных недостатков метода CVD является относительно высокая плотность дефектов в МУНТ, что может быть связано с отсутствием достаточной тепловой энергии.

Читайте также:
Впечатляющий особняк на Голливудских холмах: Openhouse от XTEN Architecture | 10 потрясающих домов

Во всех этих трех методах выращивания УНТ содержат ряд примесей, которые могут оказывать негативное влияние на присущие УНТ свойства. Чтобы сделать устройства на основе УНТ более эффективными и стабильными, очистка является важным процессом для получения высококачественных нанотрубок. Как правило, наиболее часто наблюдаемыми примесями являются углеродсодержащие примеси и металлические примеси. Углеродсодержащие компоненты являются побочными продуктами реакционного процесса, а металлические примеси являются остаточными катализаторами. Для устранения углеродистых примесей основным методом является окисление. Разработаны два подхода: (i) очистка газовой фазы, которая включает высокую температуру и имеет низкий выход продукции; (ii) жидкофазная очистка, когда нанотрубки промывают в кислых растворах. Азотная кислота, серная кислота и их смесь обычно используются для очистки жидкости [13]. Металлические примеси можно удалить, нагревая образцы до температуры испарения примеси. С разработкой и модификацией различных методик очистки пока удается получать образцы УНТ с чистотой до 99.6 % [14]. Качество выращенных УНТ и степень очистки можно проверить с помощью микроскопических методов, таких как атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия, или спектроскопических методов, таких как рамановская спектроскопия.

2.2. Изготовление газовых сенсоров УНТ

Существует несколько методов интеграции УНТ в различные структуры датчиков газа. Ли и др. разработали резистивный датчик газа, просто отливая ОУНТ на встречно-штыревые электроды (IDE) [14]. Электроды были изготовлены методом фотолитографии и напыления Ti и Au (толщиной 60 нм вместе) на оксид кремния. Выращенные SWCNT сначала очищали кислотой, а затем окислением воздухом, прежде чем интегрировать с IDE. В результате конечные ОУНТ имели относительно высокую чистоту до 99.6 %, а влияние примесей на характеристику сенсора было сведено к минимуму. Затем очищенные нанотрубки диспергировали в диметилформамиде (ДМФА) и наносили каплями на область электрода. Сеть нанотрубок впоследствии образуется после испарения ДМФА, как показано на рисунке 1. Другой простой метод – трафаретная печать УНТ на узорчатых электродах. Ли и др. [15] трафаретная печать пасты УНТ, смешанной с МУНТ, терпинеолом, этилцеллюлозой и стеклянными фриттами, на стекле с электродным покрытием в качестве газочувствительного элемента для NO.2 обнаружение. Органическое связующее можно удалить отжигом в азоте.2 окружающей среды.

Физические исследования фотоиндуцированных датчиков Холла без смещения на основе переходов Шоттки Pt/GaAs и Pt/Si

Сяолэй Ван 1,* , , , , Тяньруй Чжай 1 , , и Антонио Руотоло 2

Получено: 23 февраля 2021 г. / Пересмотрено: 9 апреля 2021 г. / Принято: 23 апреля 2021 г. / Опубликовано: 25 апреля 2021 г.

Круглый 1

Отчет рецензента 1

В статье представлены физические свойства фотоиндуцированного эффекта Холла в переходах Шоттки металл/полупроводник.

Сравнение с современным уровнем техники плохое и связано больше с физикой самого устройства, чем с датчиками Холла. То же самое для самой статьи, и это, на мой взгляд, не очень хорошо для статьи журнала под названием «Сенсор».
Обратите внимание, что нет ограничений на количество страниц в публикациях MDPI. Поэтому, пожалуйста, увеличьте количество ссылок более чем в 3 раза. Это должно правильно прокомментировать современное состояние со ссылкой на предыдущие / недавние статьи об эффекте Холла, опубликованные в Sensors, Electronic MDPI и IEEE, на основе практического использования датчика Холла (практическое применение, про и противопоказания к их использованию и т. д.)
Это должно быть сделано также для описания эффективности/улучшения предлагаемого датчика по сравнению с современным уровнем техники и с целью лучше дифференцировать использование и ограничения различных датчиков Холла во время их соответствующего использования. В частности, это необходимо для того, чтобы лучше определить практическое использование в качестве датчика представленного в статье прибора Холла (с точки зрения физики). Даже из настоящего списка ссылок видно, что профиль бумаги больше ориентирован на материалы/физику, чем на практическое применение в качестве датчика. Поскольку «Sensor» — это название журнала, статье следует придать более конкретный технический профиль.

Читайте также:
Проводка двустороннего переключателя: одноканальный двусторонний переключатель и многоходовой переключатель

Пожалуйста, отметьте также в подписи к каждому рисунку, что вы представляете результаты измерений.

Я лично не вижу в статье ни эффективного улучшения состояния дел, ни неожиданных/новаторских/замечательных результатов.

Ответ автора

Ответить: Благодарим судью за комментарии. Мы полагаем, что возражение рефери исходило из непонимания области применения «сенсоров». «Физические датчики» — один из основных разделов этого журнала, охватывающий все аспекты физических датчиков, сенсорных технологий и новых принципов работы физических датчиков. Здесь мы предлагаем новый датчик, основанный на эффекте Холла, который может быть фотоиндуцирован в металлах и использоваться для магнитного зондирования без смещения. Чтобы доказать важность и преимущество нашего сенсора, мы подробно изложили нетрадиционный механизм, включая фотогенерацию и инжекцию заряда через барьер Шоттки. Все экспериментальные измерения и физические исследования убедительно продемонстрировали, что наша система предлагает более высокую чувствительность и больший диапазон линейности. Для традиционного бокового фотодиода свет фотопреобразуется в электрический ток, протекающий в стандартном устройстве. Напротив, свет только уменьшает встроенный потенциал барьера Шоттки в нашем устройстве без протекания чистого тока. Это позволяет датчику работать в условиях разомкнутой цепи для восстановления линейности без увеличения стоимости. По предложению рецензента мы добавили приведенные выше описания инноваций и улучшений предлагаемого датчика по сравнению с современным уровнем техники.

Кроме того, мы увеличили количество ссылок более чем в 3 раза по предложению рефери.

Отчет рецензента 2

Рекомендация: опубликовать после незначительных исправлений.

Рукопись посвящена подробному исследованию фотоиндуцированных датчиков Холла без смещения на основе переходов Шоттки Pt/GaAs и Pt/Si. Авторы провели систематические и физические исследования этих двух гетеропереходов, которые открывают новый путь к магнитному зондированию без смещения. Эта работа выполнена хорошо и я рекомендую опубликовать ее в Sensors. У меня есть три рекомендации следующим образом.

1. Как определить мощность света (или интенсивность) на образцах в данной работе?

2. Авторы утверждают, что линейность и чувствительность их устройства выше, чем у коммерческих датчиков Холла, из-за меньшего тока смещения и отсутствия джоулева нагрева. Тогда как на линейность и чувствительность влияет световое смещение или магнитное поле в их устройствах?

3. Меньший фотоиндуцированный эффект Холла Pt/GaAs авторы связывают с поверхностными состояниями на GaAs. Какими могут быть поверхностные состояния? Авторы должны предоставить более подробную информацию .

Ответ автора

Мы благодарны рецензенту за положительную оценку нашей рукописи.

  1. Как определить мощность света (или интенсивность) на образцах в данной работе?

Ответить: Для этого мы измеряем интенсивность света с помощью измерителя мощности, помещая его точно в положение образца, и умножаем полученную плотность мощности на площадь образца.

  1. Авторы утверждают, что линейность и чувствительность их устройства выше, чем у коммерческих датчиков Холла, из-за меньшего тока смещения и отсутствия джоулева нагрева. Тогда как на линейность и чувствительность влияет световое смещение или магнитное поле в их устройствах?

Ответить: Как показано на рисунках 4 и 5, мы обеспечили линейную зависимость между напряжением Холла и генерируемым магнитным полем при постоянной интенсивности света, в то время как напряжение Холла также увеличивалось линейно с интенсивностью света для фиксированных значений магнитного поля. Таким образом, наши устройства демонстрируют большой диапазон линейности в дополнение к чувствительности к колебаниям светового смещения или магнитного поля.

  1. Авторы связывают меньший фотоиндуцированный эффект Холла Pt/GaAs с поверхностными состояниями на GaAs. Какими могут быть поверхностные состояния? Авторы должны предоставить более подробную информацию.

Ответить: Обычно поверхность GaAs заканчивается атомами Ga или As, а плотность поверхностных состояний высока из-за собственных дефектов и окисления поверхности. Таким образом, некоторые процессы пассивации необходимы для получения лучшей поверхности с прямой запрещенной зоной. Однако точные состояния поверхности должны быть немного сложными и, вероятно, имеют смешанные факторы. Так что здесь нельзя делать однозначный вывод. В наших будущих работах мы будем рады провести более систематические исследования, чтобы получить достаточные доказательства, чтобы предоставить более подробную информацию о поверхностных состояниях.

Читайте также:
Покраска вашего дома - Руководство по внутренней краске | Тиккурила

Отчет рецензента 3

В рукописи обсуждается фотоиндуцированный магнитный датчик Холла на основе барьера Шоттки. Обсуждаемая идея действительно интересна и может оказать важное влияние как на научное сообщество, так и на промышленность. Однако идея уже была представлена ​​авторами в статье ([13] в рукописи), и новизна в отношении этой статьи заключается только в сравнении барьера Pt/Si и барьера Pt/GaAs, насколько я понимаю. Я думаю, что содержания новизны недостаточно для полноценной статьи. Предлагаю авторам рассмотреть возможность публикации работы в журнальном письме или на конференции.

Помимо содержания новизны, хотелось бы открыть научную дискуссию по некоторым техническим моментам работы:

  • Авторы критикуют коммерческие датчики на эффекте Холла, говоря, что на их линейность «в значительной степени влияет неравномерность распределения тока», а их чувствительность «сильно снижается из-за джоулевого нагрева». Я согласен с авторами в наличии этих двух эффектов, но они не столь критичны. Линейность обычно лучше, чем ошибка 1%, а джоулевым нагревом в коммерческих датчиках обычно пренебрегают. Можете ли вы лучше поддержать свое заявление?
  • В разделе I авторы заявляют, что датчики Холла по своей природе линейны (стр. 1, строки 40-41). Я согласен с авторами, но это утверждение противоречит тому, что сказано в аннотации.
  • Авторы заявляют, что одним из преимуществ их датчика является то, что для него требуется всего 2 контакта. Вообще-то я думаю, что надо замкнуть диод Шоттки в какой-то цепи, чтобы его поляризовать.
  • Авторы заявляют, что джоулев нагрев отсутствует, но не приводят никаких доказательств этого утверждения. На мой взгляд, предлагаемый датчик все же показывает эффект джоулевого нагрева, хотя он очень низок и, возможно, пренебрежимо мал. Действительно, через барьер Шоттки протекает ток, и этот ток, безусловно, связан с джоулевым нагревом. Учитывая заявленную чувствительность, я думаю, что этот ток очень низок, а нагрев незначителен. Могут ли авторы доказать, что я не прав?
  • С практической точки зрения датчику для работы требуется источник света, и его мощность сильно зависит от него. Таким образом, с одной стороны, если датчик используется при окружающем освещении без специального источника света, датчик будет страдать от сильной перекрестной чувствительности. С другой стороны, если используется выделенный источник света с постоянной мощностью, то это влияет на стоимость и реализацию системы. Хотелось бы, чтобы авторы это прокомментировали.
  • Чувствительность, которую я могу приблизительно оценить по рис. 4, составляет 10 мкВ/Тл, в то время как стандартный датчик Холла может иметь более 100 мВ/Тл при смещении 1 мА (см. [1]). Это может быть проблематично при реализации реальных сценариев. Авторы могут это прокомментировать?
  • Как создавалось магнитное поле, используемое для получения статических характеристик?
  • Цифры нуждаются в более подробной информации:
    • Является ли напряжение, указанное по оси абсцисс на рис. 2, напряжением поляризации диода? Это нужно четко заявить.
    • Какое напряжение смещения использовалось для рисунка 4
    • Какая длина волны использовалась для рисунков 4-c и 4-d?
    • На мой взгляд, вопреки тому, что указано в рукописи, рисунки 5-c и 5-d показывают нелинейную зависимость. Пожалуйста, объясни. Я хотел бы знать, насколько нелинейность этих кривых.

    [1] Б. Лю и другие, «Маломощный и высокочувствительный датчик Холла с системой на кристалле», в 2017 ДАТЧИКИ IEEE, 2017, с. 1–3.

    Ответ автора

    Пожалуйста, посмотрите приложение.

    Файл ответов автора: Ответ автора.pdf

    Отчет рецензента 4

    Авторы представляют физические исследования фотоиндуцированных датчиков Холла без смещения на основе переходов Шоттки Pt/GaAs и Pt/Si. Авторы непосредственно нанесли Pt-контакты на пластины Si и GaAs для изготовления датчика Холла, индуцирующего Холл. У меня есть серьезные опасения по поводу новизны этой статьи, которые должны быть обоснованы авторами в рукописи и в ответном письме. Следовательно, я хотел бы решить его судьбу на основе серьезного пересмотра комментариев в следующем.

    1- Удалить первый абзац введения. Это также устанавливает тот факт, что статья нуждается в серьезной доработке на предмет опечаток и текстовых ошибок.

    2- Укажите новизну этого исследования и наиболее важные результаты исследования в последнем разделе введения. Кроме того, для какого применения авторы изготовили эти фотоприемники?

    3- Авторы просто использовали имеющиеся в продаже пластины GaAs и Si и осадили металлические электроды в лаборатории. Как бы авторы обосновали новизну этого устройства с коммерческими пластинами и простыми металлическими контактами?

    4- Какова аналогия с нанесением пасты Ag (металла) на уже нанесенный слой Pt? Вам не кажется, что это только увеличит сопротивление контактов и ничего хорошего для устройства не сделает?

    5- Рисунок 2: Почему наблюдается очень большой сдвиг тока, увеличивающий фотомощность от темноты (ноль) до 20 мВт по сравнению с остальными интенсивностями, при которых наблюдался небольшой сдвиг силы тока?

    6- Рисунок 2(b) показывает омическое поведение при положительном смещении напряжения, что противоречит самой концепции этой статьи. Почему в этом случае нет сопротивления встроенному барьеру, чего всегда ожидают от контакта Шоттки?

    Ответ автора

    Пожалуйста, посмотрите приложение.

    Файл ответов автора: Ответ автора.pdf

    Круглый 2

    Отчет рецензента 1

    Ok. ответ авторов меня убедил.

    Ответ автора

    Мы благодарим рецензента за принятие нашей рукописи для публикации в Sensors.

    Отчет рецензента 3

    • Вступление стало более сбалансированным. Спасибо, что приняли мое предложение. Однако я все еще сомневаюсь в известности джоулева нагрева с эффектами нелинейности. На мой взгляд, нагрев датчика Холла из-за тока смещения пренебрежимо мал. Типичный кремниевый датчик Холла имеет сопротивление примерно 1 кОм, поэтому при смещении 1 мА он будет рассеивать около 1 мВт. Учитывая современную технологию корпусов, это энергопотребление приводит к тепловым колебаниям в несколько К (я считал, что тепловое сопротивление переход-окружающая среда составляет 100 К/Вт, что вполне стандартно для пластикового корпуса SOIC). Поэтому я не думаю, что джоулев нагрев оказывает прямое влияние на линейность датчиков Холла.

    Тем не менее, я также провел литературное исследование, чтобы подтвердить свои сомнения. Я начал с двух статей, на которые ссылаются авторы, т.е. [7] и [8], но в них не обсуждается джоулев нагрев в датчиках Холла, поэтому я также спрашиваю авторов, почему они цитируют эти две статьи. Затем я сделал быстрый поиск и нашел только недавнюю статью Доулинга и др. др. [R1] обсуждается влияние джоулевого нагрева на температурную дисперсию смещения в датчиках Холла GaN. Эта статья каким-то образом подтвердила мою теорию, сообщив о местных колебаниях температуры не более 6 градусов по Цельсию. Наконец, я проверил коммерческие устройства, начиная с того, который цитируют авторы. В этом случае я вижу, что джоулев нагрев мог бы быть более заметным, и я согласен с авторами в том, что компания сообщает об ошибке нелинейности только при номинальном смещении и температуре. Я также должен упомянуть датчики от Allegro, которые предназначены для измерения тока и интегрируют токопроводящую дорожку на чипе датчика. В этом случае измеряемый ток может достигать 20 А, что, несомненно, вызовет значительный джоулев нагрев. Однако нелинейность датчиков оценивается ниже 2 % во всем диапазоне входных сигналов. Таким образом, современные датчики Холла решили проблему джоулева нагрева.

    Подводя итог, я предлагаю авторам лучше описать проблему, текущее состояние дел и лучше позиционировать свою новинку.

    • Без дальнейших комментариев.
    • Спасибо за лучшее объяснение поведения вашего устройства, но у меня все еще есть вопрос: эффект Холла работает на движущихся носителях, поэтому у вас должен быть какой-то ток. Насколько я понимаю, свет уменьшает встроенный потенциал барьера Шоттки, позволяя электронам, активированным фотонами, инжектироваться в полупроводник с очень высокой скоростью. Эти электроны должны быть связаны с неким тепловым эффектом. Прошу авторов лучше описать этот момент.
    • Я все же хотел бы увидеть измерение, демонстрирующее отсутствие джоулева нагрева.
    • Благодарю за ваш ответ. Не могли бы вы добавить результат измерения, показывающий, что окружающий свет не влияет?
    • Благодарю за ваш ответ. Я бы просто попросил вас перепроверить свои цифры на чувствительность. Из рис. 4b (желтая линия) я могу приблизительно оценить пиковое значение 2E-2 мВ для входного магнитного поля 0.3 Тл, что дает чувствительность 66 мкВ/Тл. Пожалуйста, проверьте номера.

    [R1] К. М. Доулинг и другие, «Низкое смещение и шум в пластинах с эффектом Холла GaN 2DEG с высоким смещением, исследованные с помощью инфракрасной микроскопии», J. Микроэлектромеханические системы., том. 29, нет. 5, стр. 669–676, октябрь 2020 г.

    Ответ автора

    Мы благодарны рецензенту за это полезное обсуждение. Мы попробовали и проверили чувствительность датчика Allegro, упомянутого рецензентом, но обнаружили чувствительность в V/A, а не в V/T. Всегда можно поддерживать низкий джоулев нагрев, если проводник с током находится далеко от датчика Холла. Конечно, 20А по-прежнему будет генерировать достаточно поля для обнаружения. Вероятно, мы слишком далеко зашли в этом полезном обсуждении.

    Мы заменили «потерю линейности из-за джоулева нагрева» на «уменьшение линейности с увеличением тока смещения» (что является фактом, как указано в таблицах данных), не указывая сложные причины этой зависимости (которые должны включать, среди прочего, Джоулев нагрев, если предлагаются радиаторы). Например, в аннотации мы пишем: «чувствительность зависит от смещения, при этом линейность уменьшается с увеличением тока смещения». Мы также перефразировали введение и выводы. Изменения выделены в рукописи. Джоулев нагрев никогда специально не упоминается. Это должно быть более безопасным заявлением в ожидании дальнейших исследований сложных причин (неравномерность тока, джоулев нагрев и т. д.) потери линейности с увеличением тока смещения в традиционных датчиках Холла.

    Еще раз спасибо за тщательный обзор и конструктивные предложения по улучшению нашей рукописи. Мы заменили ссылки [6-8] и добавили больше описаний, чтобы лучше позиционировать новизну нашей рукописи.

    Отчет рецензента 4

    Авторы хорошо ответили на все вопросы, заданные в первом раунде рецензирования. Я хочу, чтобы авторы добавили приведенные в ответном письме пояснения в основную часть рукописи, а также для понимания читателей.

    Ответ автора

    Благодарим судью за высокую оценку. Мы добавили предоставленные пояснения в ответном письме в основную часть рукописи.

    Круглый 3

    Отчет рецензента 3

    Авторы не ответили на все мои опасения.

    Посмотрите, пожалуйста, мой предыдущий отчет.

    Ответ автора

    Пожалуйста, ознакомьтесь с приложением, в котором наши ответы могут быть показаны более четко. На этот раз мы сделали точечный ответ в ответном письме.

    Обзор механических и химических датчиков для автомобильных литий-ионных аккумуляторных систем

    Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

    Связанные данные

    Абстрактные

    Электрификация легковых автомобилей является одним из наиболее эффективных подходов к сокращению вредных выбросов в городских районах и, если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников, смягчению последствий глобального потепления. Это глубокое изменение парадигмы в транспортном секторе требует использования литий-ионных батарей в качестве систем накопления энергии для замены традиционных ископаемых видов топлива. Автомобильный аккумулятор представляет собой сложную систему, которая должна соответствовать нескольким ограничениям: высокая плотность энергии и мощности, длительный календарный и циклический срок службы, электрическая и тепловая безопасность, ударопрочность и возможность вторичной переработки. Чтобы соответствовать всем этим требованиям, аккумуляторные системы включают в себя систему управления батареями (BMS), подключенную к сложной сети электрических и тепловых датчиков. С другой стороны, поскольку литий-ионные элементы могут страдать от явлений деградации с последующим выделением газов или определять размерные изменения упаковки элемента, химические и механические датчики должны быть интегрированы в современные автомобильные аккумуляторные батареи, чтобы гарантировать безопасную работу системы. . Механические и химические датчики для автомобильных аккумуляторов требуют дальнейших разработок для достижения требуемой прочности и надежности; в этом обзоре будет предложен обзор современного состояния таких датчиков.

    1. Введение

    Одной из наиболее распространенных стратегий смягчения последствий глобального потепления и сокращения вредных выбросов в городских районах является электрификация пассажирских и промышленных транспортных средств. Это требует создания систем накопления энергии на основе литий-ионных элементов, характеризующихся высокой плотностью энергии и мощности, длительным сроком службы и высокой безопасностью. Интеграция таких аккумуляторных блоков в транспортное средство требует строгого контроля за его состоянием безопасности, состоянием заряда (SoC) и состоянием работоспособности (SoH) в течение срока службы транспортного средства. Состояние работоспособности определяется как соотношение между фактической и начальной емкостью батареи и является показателем ожидаемого остаточного ресурса системы. Из-за ограничений стоимости и необходимости снижения сложности однозначное и надежное определение SoC и SoH автомобильного аккумуляторного блока является сложной задачей. Заинтересованный читатель может найти более подробную информацию в [1,2]. Кроме того, одним из главных ожиданий заказчика является быстрая зарядка системы накопления энергии: для этого необходимо защитить литий-ионные аккумуляторы от образования литиевых дендритов на аноде и от пиков температуры [3]. Наконец, автомобильный аккумулятор должен быть устойчивым к авариям, должен гарантировать электрическую изоляцию и включать изоляционные материалы, чтобы иметь возможность замедлить возможный тепловой разгон. Все эти требования могут быть удовлетворены только за счет интеграции в систему сложной сети датчиков и системы кондиционирования тепла, управляемой системой управления батареями (BMS). Надежность BMS и сопутствующего программного обеспечения возросла за последнее десятилетие благодаря интенсивным исследовательским усилиям производителей и академических групп [4,5,6]. На рис. 1 показан типичный автомобильный аккумулятор, в котором литий-ионные элементы объединены с жестким призматическим корпусом. Недавно мы кратко обобщили основные потребности, возникающие в связи с автомобильными приложениями, и рассмотрели наиболее важные и перспективные технологические решения [7].

    Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. д. Имя объекта: sensor-22-01763-g001.jpg

    Типичная компоновка автомобильного аккумулятора с литий-ионными элементами призматического типа. Также показана система терморегулирования. Рисунок частично воспроизведен из [8].

    Современные технологии, реализованные на уровне ячеек для повышения безопасности аккумуляторных систем, представлены устройствами пассивной безопасности, направленными на предотвращение теплового разгона. Пассивные прерыватели тока (CID) представляют собой удобные и эффективные устройства защиты, обычно встроенные в коммерческие цилиндрические литий-ионные аккумуляторы [9]. CID в основном состоит из четырех компонентов: проводящей гибкой мембраны в виде верхнего диска, второй пластиковой вставки, нижнего диска и металлической фольги. Металлическая фольга приварена между верхним и нижним диском через центральное отверстие нижнего диска. Пластиковая вставка предназначена для электрической изоляции оставшейся области между верхним и нижним диском. Сварная центральная точка системы является слабым местом; он электрически связан с вкладкой и электрохимической системой. Всякий раз, когда возникает недопустимое состояние, например, перезарядка, большое количество образующихся газов создает избыточное давление. При повышении внутреннего давления до 1.0–1.2 МПа верхний диск движется вверх, ломая слабое место. Внезапно электрическая цепь прерывается; электричество не может проходить через систему, и электрохимические реакции внутри клетки останавливаются. Такие системы широко реализованы в цилиндрических ячейках, но также сообщается о нескольких применениях в призматических ячейках [10]. Другой полезный элемент пассивной безопасности, присутствующий внутри коммерческих ячеек, широко известен как устройство с положительным температурным коэффициентом (PTC) [11]. Обычно он находится в верхней крышке, между плюсовой клеммой и разрывной шайбой CID. Он имеет кольцевую форму и состоит из полимерного материала с электропроводящими добавками (сажей), диспергированными внутри полимерной матрицы (полипропилена или полиэтилена низкой плотности) [12]. PTC имеет функцию ограничения тока в случае перегрузки или случайного короткого замыкания, что позволяет избежать перегрева. В отличие от CID, PTC работает обратимо, изменяя свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. За предельным значением тока сопротивление PTC увеличивается на несколько величин из-за эффекта джоулева нагрева и ограничивает ток. После снижения тока/температуры сопротивление PTC снова падает. На рис. 2 показано поперечное сечение цилиндрической ячейки, объединяющей устройства PTC и CID.

    Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. д. Имя объекта: sensor-22-01763-g002.jpg

    Схема устройства прерывания цепи (CID), положительного температурного коэффициента (PTC) и системы вентиляции в цилиндрической ячейке. Воспроизведено из [13].

    Очевидно, что пассивных устройств недостаточно, чтобы гарантировать безопасность и контролировать состояние здоровья и уровень заряда сложных автомобильных аккумуляторных систем. Бортовые электрические [14,15,16] и тепловые измерения [17,18] основаны на хорошо зарекомендовавших себя технологиях, которые могут быть эффективно интегрированы в автомобильные аккумуляторные батареи. Основными физическими величинами, используемыми для характеристики и моделирования поведения батареи, являются ток, электрический потенциал и температура. Электрический потенциал обычно измеряют на клеточном уровне с помощью соответствующих интегральных схем [19]. С другой стороны, измерение тока является более сложным и обычно реализуется с помощью высокоточных шунтирующих резисторов или датчиков Холла. Первые, даже если и рассеивают запасенную в ячейке энергию, отличаются простотой, дешевизной и хорошей точностью (до 0.1 % и выше) [20]. С другой стороны, индукционные датчики на эффекте Холла, лишенные какой-либо электрической связи с ячейками, не мешают работе схемы аккумуляторной системы; их основные недостатки связаны с ограниченной точностью и интерференцией внешних магнитных полей [21,22]. Надежность и статистика отказов датчиков тока для батарей недавно подробно обсуждались Hu et al. [23]. Точное измерение температуры элементов является еще одним важным условием для эффективного управления аккумуляторной системой. Идеальным решением было бы непосредственное измерение внутренней температуры элемента: на самом деле, особенно для элементов большой емкости, ожидается большая разница между внутренней температурой и внешней температурой, измеренной на корпусе элемента. Во время теплового разгона внутренняя температура ячейки может подняться до сотен градусов Цельсия за очень короткий промежуток времени. С другой стороны, внешняя температура клеточной упаковки может оставаться практически неизменной в течение временного интервала, который может быть слишком большим для раннего обнаружения события [24,25]. Поскольку стандартные датчики температуры, такие как термопары и терморезисторы, даже если они характеризуются относительной дешевизной и достаточной точностью [26], трудно интегрировать в литий-ионные аккумуляторы для измерения внутренней температуры, подходы, основанные на измерении внутренней появляются импедансные [27,28] и электротермические модели [29]. В последнее время, благодаря миниатюризации и снижению цен на печатные платы (PCB), измерение EIS также можно проводить в режиме онлайн, без необходимости выключения аккумуляторной батареи. С помощью этого метода, работающего как в одно-, так и в многочастотном режиме, можно собирать информацию о старении клетки посредством контроля некоторых параметров (SoH, SoC и т. д.). Вышеупомянутые методы можно использовать для улучшения стратегии управления, реализованной в BMS, но, поскольку они требуют определенного времени измерения, они не подходят для мониторинга аккумуляторной системы для предотвращения теплового разгона.

    С другой стороны, явления деградации, которые могут поставить под угрозу безопасность литий-ионных элементов, связаны с механическими эффектами, такими как деформация упаковки элемента или выбросы газов, которые могут предвосхитить событие теплового разгона. Эти явления необходимо отслеживать с помощью механических и химических датчиков, встроенных в аккумуляторную систему, но это все еще остается сложной задачей для реализации на промышленном уровне. Еще более продвинутая тема связана с химическими датчиками in-situ, устанавливаемыми непосредственно в ячейке для контроля в режиме реального времени за ее безопасностью с помощью обнаружения специфических химических маркеров, указывающих на протекание процессов деградации на электродных или электролитных материалах. Это значительно повысит безопасность автомобильных аккумуляторных систем, устранив риск внезапных и непредсказуемых тепловых выходов из строя. Эта область исследований очень активна и развивается очень быстро. Вэй и др. недавно был опубликован обширный обзор, посвященный будущим системам управления и датчикам для умных аккумуляторов [20]; с другой стороны, их анализ не включает химические сенсоры и оптические методы оценки механической деформации литий-ионных аккумуляторов. По вышеупомянутым причинам в настоящем документе рассматриваются наиболее распространенные технологии механических и химических датчиков, подходящие для интеграции в автомобильные аккумуляторные батареи для мониторинга SoH и безопасности в режиме реального времени.

    2. Механические датчики

    Явления интеркаляции и деинтеркаляции лития происходят в кристаллических структурах анода и катода во время электрического циклирования литий-ионного элемента. В частности, при внедрении лития в материал анода наблюдалось растягивающее напряжение. Наоборот, при обратном процессе возникает сжимающее напряжение [30]. Более того, современные аноды большой емкости для литий-ионных аккумуляторов в основном основаны на композитах кремний/графит, и, поскольку значительное изменение объема связано с легированием лития кремнием [31,32], напряжение на электродах и размерные изменения клеток. Кроме того, изменения кристаллической структуры и параметров решетки, связанные с внедрением лития в катодные материалы, могут приводить к изменениям размеров в процессе заряда и разряда [30]. Наконец, побочные реакции на нормальную интеркаляцию и деинтеркаляцию лития в электродах (образование твердого электролита, межфазное покрытие, литиевое покрытие и т. д.) приводят к образованию новых частиц (газов, твердых слоев и т. д.) и могут определять повышение давления внутри корпуса элемента. с последующим изменением размеров упаковки ячейки. Как образование газообразных частиц, так и изменение кристаллической структуры материалов ячейки вызывают напряжения в ячейке. По этой причине мониторинг изменений размеров литий-ионных аккумуляторов во время циклирования важен для определения SoH и предотвращения проблем с безопасностью. Современные диагностические системы для измерения деформации на месте основаны на интерферометрии, пьезоэлектрическом эффекте, отражении лазерного луча, атомно-силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) [33].

    2.1. Оптические методы

    В литературе для обнаружения штамма in-operando в литий-ионных ячейках использовались три основных оптических метода:

    Техника DIC основана на получении изображений с помощью датчика камеры: серия изображений записывается с постоянным временным шагом, чтобы отслеживать изменения размеров исследуемого объекта. Используя программное обеспечение для обработки изображений, получают распределение изменения размеров литий-ионной батареи при различных состояниях заряда. Разрешение ДИК порядка микрона, в зависимости от разрешения камеры [34]. Принцип работы DIC показан на рисунке 3. Исторически сложилось так, что ДИК в основном использовался для характеристики деформации электродов литий-ионных элементов [35,36,37].

    Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. д. Имя объекта: sensor-22-01763-g003.jpg

    Благодаря простой экспериментальной установке 2D-DIC идеально подходит для измерения плоскостной деформации объекта. Метод основан на освещении испытуемого объекта с помощью источника света: изображение поверхности объекта захватывается цифровой камерой: сравнение изображений недеформированной и деформированной поверхности с помощью программного обеспечения для цифровой оцифровки позволяет выполнить точное измерение. плоскостной деформации. Для точного измерения деформации требуются высококачественные камеры. Рисунок воспроизведен из [38].

    LBPD и MOSS являются оптическими методами, полезными для выполнения измерений кривизны, используемых для изучения изгиба поверхности электродов литий-ионных элементов. MOSS является самым последним и применяемым методом, и он менее подвержен влиянию вибраций. Принцип работы MOSS показан на рисунке 4.

    Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. д. Имя объекта: sensor-22-01763-g004.jpg

    Теория техники МОСС. (a) Если два световых луча падают на два разных положения измеряемого искривленного объекта, расстояние между их отражениями зависит от кривизны отражающей поверхности. Радиус кривизны R k связан с расстоянием между отражениями dr согласно соотношению R k = 2D rdb /(rcos θ r ). (b) Используя более двух параллельных световых лучей, можно уменьшить расстояние между соседними лучами, чтобы уменьшить погрешность измерения. Линейный массив из нескольких лучей может быть получен с помощью эталона, оптического элемента, имеющего сильно отражающие и параллельные грани. Используя этот подход, можно отслеживать эволюцию напряжения на плоских или криволинейных объектах. Рисунок воспроизведен из [38].

    Сетураман и др. [31] применили MOSS для изучения изменений размеров, связанных с электрическим циклом литий-ионных аккумуляторов. Они выполнили измерения на месте биаксиального модуля Юнга тонкопленочного кремниевого электрода в зависимости от концентрации лития. Во время интеркаляции/деинтеркаляции в зависимости от SOC возникало упругое напряжение. Оптические методы имеют ряд преимуществ и недостатков: DIC быстрый и недорогой, а LBPD и MOSS характеризуются простотой обработки данных и позволяют измерять кривизну. Основным недостатком всех вышеупомянутых методов является то, что они могут быть использованы, благодаря специальным настройкам, только для определения характеристик электродов или отдельных элементов, поэтому интеграция в системы управления батареями (BMS) коммерческих аккумуляторных систем невозможна.

    2.2. Тензодатчики

    Тензорезисторы — это недорогие резистивные датчики, используемые для измерения деформации объекта. Наиболее распространенная установка состоит из металлического рисунка, нанесенного на изолирующую гибкую подложку. Датчик крепится к исследуемому объекту с помощью прочного клея. На рис. 5 показан пример тензорезистора. Если объект подвергается деформации, электрическое сопротивление, измеренное вдоль рисунка, изменяется. Согласно [39], изменение сопротивления можно правильно соотнести с деформацией, используя коэффициент пропорциональности, известный как калибровочный коэффициент. GF:

    в котором R – омическое сопротивление, L длина и ϵ деформация.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: