Self-heating type gas sensors have become promising gas sensors for mobile application. Because self-heating type gas sensors are able to reach their operating temperature without the need of an external heater, they are able to achieve small size and low power consumption. However, during self-heating operation, heat loss through the substrate causes a parabolic temperature distribution, resulting in only the center portion of the metal-oxide sensing material to reach the operating temperature and participate in the gas reaction. This paper resolves the issue by proposing a novel hetero-structure that consists of metal – metal-oxide – metal nanowires that enables the entire sensing material to reach its operating temperature. Instead of connecting directly to the electrode, the metal nanowires are connected in between the metal-oxide nanowires and the electrode. This hetero-structure utilizes the metal nanowires, which have low thermal conductivity and smaller heat loss area, to preserve the heat and minimize the heat loss. The proposed structure is able to achieve improved sensitivity, low power consumption, and fast response time to hydrogen gas. Through metal functionalization of the sensing material, further enhancement in sensitivity would be achievable.
고온에서 동작하는 반도체식 가스 센서의 높은 소비전력을 낮추기 위해, 자기 가열 방식의 가스 센서가 개발되고 있다. 자기 가열 방식은 감지 물질 자체가 히터 역할을 함으로써, 작은 센서 크기와 낮은 소비전력을 가진다. 하지만, 자기 가열 타입 가스 센서는 기판으로 빠지는 열로 인해 온도분포도가 형성되는데, 이는, 소자의 중앙 부분만 높은 온도를 달성하여 동작하여 성능이 저하되는 구조를 가지고 있다. 본 연구에서는, 감지 물질 전체가 동작할 수 있는 금속 – 금속산화물 – 금속으로 이루어진 나노와이어 어레이 구조를 새롭게 제안했다. 제안된 헤테로-구조는 전극을 열 전도도가 낮고, 열 손실 면적도 낮은 나노와이어를 활용함으로써, 열이 잘 보존되어 기판으로 빠지는 열 손실을 최소화할 수 있는 구조이다. 수소 가스에 대한 헤테로-구조의 가스 감지 특성을 파악한 결과, 전체가 금속산화물로 이루어진 기존-구조보다 낮은 소비전력에서 향상된 가스 반응을 보였으며, 감지 물질 전체가 동작 온도를 달성했기 때문에, 일부만 높은 온도 달성한 기존-구조보다 반응속도도 월등히 빨랐다. 헤테로-구조의 금속산화물에 촉매 물질을 활용한다면, 빠른 반응속도와 낮은 소비전력과 더불어, 본 연구 결과보다 더 높은 민감도를 기대할 수 있다.
