多元金属氧化物半导体气体传感器特性优化研究
发布时间：2021-08-07 21:10
气体传感器是探测某种环境中气体信息的关键元件,在工、农、医等众多领域展现了良好的应用前景和研究价值。先进、高效的半导体基气体传感器离不开纳米科技的进步和纳米材料的创新。设计新型敏感材料,系统研究材料纳米结构、组分与传感器敏感特性的内在联系是十分必要的。这不仅可以改善传感器的敏感性能,也可以为气体传感器向小型化、智能化发展起到推动作用。本论文瞄准多元金属氧化物可变价态阳离子种类多元化、缺陷态丰富、纳米结构和表面形貌可控可调的优势,通过多种液相方法合成了不同体系的敏感材料（锡酸盐、铁酸盐和钴酸盐）,将其应用于气体传感器以检测多种挥发性有机化合物（VOCs）。通过形貌调节、计量比优化、表面修饰改性、异质结构筑等材料设计手段,从材料微观形貌和化学组分两个方面提升多元金属氧化物基传感器的敏感性能（灵敏度、响应恢复速度、选择性等）,同时也提出了多元金属氧化物用作敏感材料的优越性和敏感机理。本文的主要研究工作包括:1、第一部分工作为锡酸盐及其复合材料的可控制备和气敏性能研究,主要有以下几个研究内容:（1）通过碱刻蚀法合成了多壳层中空结构的ZnSnO3立方体,壳层数目可调控为0-...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气体传感器的应用Fig.1.1Theapplicationofgassensors
第一章绪论31962年，Seiyama和Kato以ZnO薄膜为敏感层制作了一种化学电阻型气体传感器件，其在不同的气体环境中，通过检测器件电导性的变化来实现氢气等多种气体的检测，为金属氧化物基气体传感器的研发奠定了重要的基础[2]。1968年，费加罗(FIGARO)公司的创始人田口尚义首次发明了半导体式SnO2气体传感器，图1.2气体传感器的历史和发展Fig.1.2Thehistoryanddevelopmentofgassensors并将其命名为TGS(TaguchiGasSensor)。这种半导体式气体传感器可以对低浓度的可燃性气体和具有还原性的气体有效检测，被广泛应用于家庭和工厂中以检测危险气体的泄露，这标志着金属氧化物基气体传感器由理论过渡到了实用阶段，是半导体传感器发展史的重要里程碑。而后，为了拓宽气体传感器的敏感材料体系，不同的n型、p型以及复合金属氧化物材料被相继研究和报道。随着对气体传感器研究的不断深入，针对半导体传感器的种种不足，研究工作者开始对其它类型气体传感器进行研究，如催化燃烧式和电化学传感器等，这些传感器相继问世，使传感器的种类更加丰富多样。在我国，气体传感器的相关理论于20世纪七十年代引入，而后，对气体传感器的研究在国内引起关注并涌现。1983年，日本福冈(Fukuoka，Japan)召开了第一届化学传感器国际会议，此次会议中提出了化学传感器的先进性，其作为信息科学中的一个重要新分支，使气体传感器成为国际科学界备受瞩目的新兴学科[3]。1984年，将几个气体传感器构筑为阵列的新思想被美国的Zaromb和Stetter提出，这种构思的可行性得到了行业界的广
第一章绪论5易中毒，寿命较短。(3)电化学式气体传感器电化学式气体传感器的工作原理是利用目标气体的电化学活性，将气体电化学氧化/还原，所产生的电信号可以检测待测气体浓度[6]，主要用来检测一些有毒有害的气体。电化学式气体传感器灵敏度高，功耗较小，但测试中容易受到干扰气体的影响，并且电解质在长期使用中会耗尽，传感器寿命短。(4)光学式气体传感器光学式气体传感器的工作原理是利用待测气体的光学特性，对气体的浓度或成分产生响应[5]。此类传感器以光谱吸收型传感器为主且技术成熟。目标气体的分子结构、能量分布、浓度等信息的不同使其吸收光谱存在差异性，通过对吸收光谱的测定可以实现对目标气体的定性和定量分析。光学型气敏传感器的工作原理决定了这种气体传感器选择性好，性能稳定且使用寿命长，但体积较大，不利于便携检测。(5)石英谐振式气体传感器石英谐振式气体传感器可以将质量的变化转化为气体的浓度信息。简单来说，当气体吸附在电极上的敏感膜上时，敏感膜的质量会有所增加，这会降低石英振子的谐振频率，而谐振频率变化量正比于待测气体浓度[7]。这种传感器结构简单，可以在室温下方便地对气体浓度进行测定，但选择性较差。图1.3不同的气体传感器以及它们的优缺点Fig.1.3Differentgassensorsandtheiradvantagesanddisadvantages
本文编号：3328549
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气体传感器的应用Fig.1.1Theapplicationofgassensors
第一章绪论31962年，Seiyama和Kato以ZnO薄膜为敏感层制作了一种化学电阻型气体传感器件，其在不同的气体环境中，通过检测器件电导性的变化来实现氢气等多种气体的检测，为金属氧化物基气体传感器的研发奠定了重要的基础[2]。1968年，费加罗(FIGARO)公司的创始人田口尚义首次发明了半导体式SnO2气体传感器，图1.2气体传感器的历史和发展Fig.1.2Thehistoryanddevelopmentofgassensors并将其命名为TGS(TaguchiGasSensor)。这种半导体式气体传感器可以对低浓度的可燃性气体和具有还原性的气体有效检测，被广泛应用于家庭和工厂中以检测危险气体的泄露，这标志着金属氧化物基气体传感器由理论过渡到了实用阶段，是半导体传感器发展史的重要里程碑。而后，为了拓宽气体传感器的敏感材料体系，不同的n型、p型以及复合金属氧化物材料被相继研究和报道。随着对气体传感器研究的不断深入，针对半导体传感器的种种不足，研究工作者开始对其它类型气体传感器进行研究，如催化燃烧式和电化学传感器等，这些传感器相继问世，使传感器的种类更加丰富多样。在我国，气体传感器的相关理论于20世纪七十年代引入，而后，对气体传感器的研究在国内引起关注并涌现。1983年，日本福冈(Fukuoka，Japan)召开了第一届化学传感器国际会议，此次会议中提出了化学传感器的先进性，其作为信息科学中的一个重要新分支，使气体传感器成为国际科学界备受瞩目的新兴学科[3]。1984年，将几个气体传感器构筑为阵列的新思想被美国的Zaromb和Stetter提出，这种构思的可行性得到了行业界的广
第一章绪论5易中毒，寿命较短。(3)电化学式气体传感器电化学式气体传感器的工作原理是利用目标气体的电化学活性，将气体电化学氧化/还原，所产生的电信号可以检测待测气体浓度[6]，主要用来检测一些有毒有害的气体。电化学式气体传感器灵敏度高，功耗较小，但测试中容易受到干扰气体的影响，并且电解质在长期使用中会耗尽，传感器寿命短。(4)光学式气体传感器光学式气体传感器的工作原理是利用待测气体的光学特性，对气体的浓度或成分产生响应[5]。此类传感器以光谱吸收型传感器为主且技术成熟。目标气体的分子结构、能量分布、浓度等信息的不同使其吸收光谱存在差异性，通过对吸收光谱的测定可以实现对目标气体的定性和定量分析。光学型气敏传感器的工作原理决定了这种气体传感器选择性好，性能稳定且使用寿命长，但体积较大，不利于便携检测。(5)石英谐振式气体传感器石英谐振式气体传感器可以将质量的变化转化为气体的浓度信息。简单来说，当气体吸附在电极上的敏感膜上时，敏感膜的质量会有所增加，这会降低石英振子的谐振频率，而谐振频率变化量正比于待测气体浓度[7]。这种传感器结构简单，可以在室温下方便地对气体浓度进行测定，但选择性较差。图1.3不同的气体传感器以及它们的优缺点Fig.1.3Differentgassensorsandtheiradvantagesanddisadvantages
本文编号：3328549
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