甲醛氣體傳感器

-.z.目錄摘要〔中文〕……………〔1〕關(guān)鍵詞〔中文〕……………〔1〕1引言………………………〔1〕2甲醛氣體傳感器構(gòu)造、材料和敏感機(jī)理……………〔1〕2.1甲醛氣體傳感器的構(gòu)造……………〔1〕2.2甲醛氣體傳感器的材料………………〔3〕2.3甲醛氣敏傳感器的敏感機(jī)理…………〔3〕2.4甲醛氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀……………〔4〕3金屬氧化物甲醛氣體傳感器………………〔5〕3.1SnO2甲醛氣敏元件…………〔5〕3.2ZnO甲醛氣敏元件…………〔5〕3.3Fe2O3甲醛氣敏元件…………〔5〕3.4摻雜對(duì)甲醛氣敏元件氣敏特性的改善………………〔5〕3.4.1ZnO-La2O3共摻雜對(duì)SnO2甲醛氣敏元件氣敏性能的改善………………〔6〕3.4.2ZnO中摻雜La2O3對(duì)甲醛氣敏元件氣敏性能的改善……〔6〕4ZnO中摻雜La2O3甲醛氣體傳感器的性能研究…………〔6〕4.1ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器的制備………………〔6〕4.2ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器的性能………………〔6〕4.2.1工作溫度對(duì)元件靈敏度的影響…………〔6〕4.2.2燒結(jié)溫度對(duì)元件靈敏度的影響…………〔7〕4.2.3甲醛濃度對(duì)元件靈敏度的影響…………〔7〕4.2.4元件對(duì)甲醛氣體的選擇性………………〔7〕4.2.5元件響應(yīng)—恢復(fù)曲線……………………〔8〕5完畢語(yǔ)………………………〔8〕致謝……………〔8〕參考文獻(xiàn)………………………〔8〕摘要〔英文〕…………………(9〕關(guān)鍵詞〔英文〕………………〔9〕-.z.甲醛氣體傳感器的研究摘要：本文介紹了甲醛氣體傳感器的構(gòu)造、材料以及敏感機(jī)理，并采用La2O3摻雜ZnO制備了旁熱式甲醛氣敏元件。通過(guò)WS-30A氣敏元件測(cè)試儀系統(tǒng)分析說(shuō)明：在0.05%、0.1%、0.15%、0.25%、0.5%、0.65%六種摻雜比例中，摻雜0.1%La2O3并用500℃燒結(jié)且工作溫度為210℃的元件對(duì)甲醛的靈敏度有顯著的效果。對(duì)體積分?jǐn)?shù)為5ppm的甲醛氣體，元件的靈敏度到達(dá)了3.8，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為8s和20s。對(duì)元件氣敏機(jī)理進(jìn)展了分析。關(guān)鍵詞：ZnO；La2O3摻雜；氣敏元件；甲醛引言甲醛現(xiàn)在被各界普遍認(rèn)為是室內(nèi)第一殺手，它的釋放期長(zhǎng)一般為3-15年，其對(duì)人體尤其是嬰幼兒、孕期婦女、老人和慢性病患者甚為嚴(yán)重。室內(nèi)甲醛氣體釋放周期較長(zhǎng)，輕微超標(biāo)時(shí)居住者不易發(fā)覺。超標(biāo)四五倍時(shí)，居住者才能嗅出氣味[1]?？梢娂兹┦且环N原生質(zhì)毒物，毒性強(qiáng)而潛伏周期長(zhǎng)。室內(nèi)空氣中的甲醛主要來(lái)源裝修材料。隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的日益提高，室內(nèi)裝修裝修熱潮越來(lái)越高，室內(nèi)甲醛氣體對(duì)人體安康的影響非常巨大，做甲醛檢測(cè)已成為現(xiàn)在入住新居的一項(xiàng)必不可少的程序。因此，研制出甲醛氣敏傳感器檢測(cè)儀是很有現(xiàn)實(shí)意義的。目前，檢測(cè)室內(nèi)甲醛氣體的方法有很多中，比方：分光光度法、電化學(xué)法、色譜法[2]和傳感器檢測(cè)法。其中分光光度發(fā)、電化學(xué)法和色譜法選材復(fù)雜，制備過(guò)程繁雜，因而本錢較高，不能普及到日常生活中。然而，半導(dǎo)體甲醛氣敏傳感器制作簡(jiǎn)單，本錢低，使用方便而易于交換，可以將甲醛氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，在檢測(cè)氣體濃度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。氧化鋅和二氧化錫都是具有較寬帶陷的N型半導(dǎo)體材料，具有氣敏特性。其氣敏特性決定于晶粒大小、外表態(tài)和吸附氧的量[3]。本文粗暴介紹甲醛氣體傳感器的構(gòu)造、材料和工作機(jī)理等后利用實(shí)驗(yàn)室的條件制備出氧化鋅納米材料，并以氧化鋅納米材料為基底通過(guò)摻雜La2O3制備出了對(duì)甲醛有較高選擇性的氣敏元件，這有望開發(fā)成一款新型的甲醛敏感元件。2甲醛氣體傳感器構(gòu)造、材料和敏感機(jī)理2.1甲醛氣體傳感器的構(gòu)造甲醛氣體傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三局部組成。其中敏感元件是用來(lái)感受甲醛氣體的元件，是傳感器的核心元件。轉(zhuǎn)換元件是將甲醛信號(hào)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出電信號(hào)的元件。為轉(zhuǎn)化元件提供電能并輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)、聲音信號(hào)或數(shù)字顯示信號(hào)的局部稱作測(cè)量電路。敏感元件是用來(lái)感受甲醛氣體的元件，是甲醛氣體傳感器的核心，也是研究、設(shè)計(jì)、制作甲醛氣敏傳感器的關(guān)鍵[3]。轉(zhuǎn)化元件是解決甲醛信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將不適于傳輸或測(cè)量的微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為適于傳輸或測(cè)量的可用電信號(hào)。從材料物態(tài)上看，甲醛氣體傳感器可分為干式氣體傳感器和濕式氣體傳感器兩類。干式氣體傳感器構(gòu)成氣體傳感器的材料為固體，有接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式、導(dǎo)熱率變化式。濕式氣體傳感器是利用水溶液或者電解液來(lái)感知待測(cè)氣體，有極譜式和原電池式。本文主要研究的是干式氣體傳感器中的半導(dǎo)體式。從組裝構(gòu)造上看，半導(dǎo)體式甲醛氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三局部組成。從制造工藝上看，半導(dǎo)體式氣體傳感器可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型和多層構(gòu)造型四類[4]〔如以下圖1所示的〔a〕〔b〕〔c〕〔d〕〕。本文針對(duì)燒結(jié)型的半導(dǎo)體式甲醛氣體傳感器展開討論和研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，我們主要研究燒結(jié)型氣敏器件，這類器件以金屬氧化物半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，經(jīng)加溫、加壓，利用700～900℃的制陶工藝燒結(jié)成形。構(gòu)造原理圖如圖2：圖2燒結(jié)型氣敏器件根據(jù)加熱方式，燒結(jié)型氣敏元件可分為直接加熱式和旁熱式兩種。以SnO2為例，直接加熱式由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三局部組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。如圖3：大局部情況下，我們都使用旁熱式，因?yàn)樗鼰崛萘看蟆⒎€(wěn)定性好，測(cè)量電路與加熱電路間易互不干擾，加熱器與SnO2基體間不因熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，元件效果非常好，加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω，其構(gòu)造圖如圖4：圖4〔a〕是構(gòu)造圖，圖4〔b〕是原理圖，元件共有6個(gè)電極，其中1、2,3、4為測(cè)量電路電極，而5、6為加熱電路電極。在使用時(shí)，測(cè)量電路電極在兩組中任選一組即可。圖4旁熱式氣敏器件的構(gòu)造和符號(hào)2.2甲醛氣體傳感器的材料*些半導(dǎo)體材料在于*些氣體接觸后，電阻率發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，這樣的半導(dǎo)體我們稱之為半導(dǎo)體氣敏材料。顯然，用半導(dǎo)體氣敏材料可制造氣敏傳感元件。氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為根底材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體外表吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、外表電荷層模型、晶粒間界勢(shì)壘模型。對(duì)甲醛氣體敏感的金屬半導(dǎo)體材料有SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等。我們可選用這些半導(dǎo)體材料制造甲醛氣敏傳感器。因此，我們所制造的甲醛氣敏傳感器的敏感元件的制備便從上述半導(dǎo)體材料中選材。按構(gòu)成甲醛氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體甲醛氣敏傳感器又按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其外表還是在內(nèi)部再分為外表控制型和體控制型兩類；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)：又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導(dǎo)體甲醛氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸甲醛氣體時(shí)，其阻值的改變來(lái)檢測(cè)甲醛氣體的成分或濃度；非電阻型半導(dǎo)體甲醛氣敏元件是根據(jù)對(duì)甲醛氣體的吸附和反響，使其*些有關(guān)特性變化對(duì)甲醛氣體進(jìn)展直接間接檢測(cè)。下表1是一些對(duì)氣體敏感的金屬半導(dǎo)體材料在特定條件下的特性介紹，只要改變工作溫度和摻雜物的濃度，代表性被測(cè)氣體就可變?yōu)榧兹怏w[5]。表1一些金屬半導(dǎo)體材料特性2.3甲醛氣敏傳感器的敏感機(jī)理半導(dǎo)體材料有多電子的N型半導(dǎo)體和多空穴的P型半導(dǎo)體兩種，甲醛是復(fù)原性氣體。當(dāng)甲醛吸附到N型半導(dǎo)體外表時(shí)，與材料發(fā)生氧化復(fù)原反響，由于甲醛是復(fù)原性氣體，在反響中提供電子，N型半導(dǎo)體的載流子是電子，得到加權(quán)提供的電子后，載流子數(shù)目增多，相當(dāng)于材料的電阻減小。當(dāng)甲醛吸附到P型半導(dǎo)體外表時(shí)，同樣在材料外表發(fā)生氧化復(fù)原反響，甲醛依然提供電子，但P型半導(dǎo)體的載流子是帶正電的空穴，很多空穴和甲醛提供的電子中和，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的載流子數(shù)目減少，相當(dāng)于使材料的電阻變大。半導(dǎo)體材料外表吸附甲醛后導(dǎo)致電阻變化，我們通過(guò)測(cè)量電路測(cè)定半導(dǎo)體材料的阻值變化引發(fā)的電路中電壓和電流的變化來(lái)衡量甲醛氣體的各項(xiàng)指標(biāo)，這便是甲醛氣敏傳感器的敏感機(jī)理。圖5為N型甲醛氣敏元件對(duì)甲醛氣體的敏感原理圖。圖5N型甲醛氣敏元件對(duì)甲醛氣體的敏感原理圖N型半導(dǎo)體元件常溫下在大氣中〔元件被放置于封閉裝置內(nèi)〕是高阻狀態(tài)，約為80kΩ,經(jīng)加熱后，電阻急劇下降。加熱約兩分鐘后電阻降到最小值〔約5kΩ〕，之后又慢慢增大，大概在四分鐘時(shí)到達(dá)約50kΩ，之后保持穩(wěn)定狀態(tài)。在封閉裝置內(nèi)注入一定量的甲醛液體，加熱揮發(fā)成氣體。甲醛是復(fù)原型氣體，發(fā)生氧化復(fù)原反響后提供電子，導(dǎo)致N型半導(dǎo)體的載流子數(shù)急劇增多，相當(dāng)于電阻急劇減小，便出現(xiàn)了圖中的實(shí)線。2.4甲醛氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀在人類發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏材料的氣敏特性后，相繼創(chuàng)造了許多甲醛氣敏傳感器，但成果并不理想。因此，近年來(lái)甲醛檢測(cè)儀的研究成了新熱點(diǎn)。下面，本文簡(jiǎn)要介紹一下甲醛氣敏傳感器的開發(fā)現(xiàn)狀。早在1983年，壓電類甲醛氣敏傳感器已經(jīng)制備成功，但容易受到水分子的影響而使晶體振動(dòng)頻率發(fā)生漂移，根本就沒(méi)有實(shí)用性。2000年到2008年期間，許多甲醛快速測(cè)定儀誕生，這些檢測(cè)儀操作方便并當(dāng)場(chǎng)顯示，但這些檢測(cè)儀設(shè)計(jì)復(fù)雜、選材極多并要求很高，離普遍使用的要求尚有較大差距。例如：產(chǎn)于**吉大小天鵝儀器**的GDYQ系列甲醛測(cè)定儀，是通過(guò)甲醛與顯色劑反響生成藍(lán)綠色化合物對(duì)可見光有選擇性吸收而建立的比色分析法，并用微型高靈敏光度計(jì)檢測(cè)。又如，美國(guó)INTERSCAN公司的4160甲醛測(cè)定儀、英國(guó)PPM400手持式現(xiàn)場(chǎng)甲醛測(cè)定儀和日本*P-308和*P-308II型甲醛測(cè)定儀，原理基于電化學(xué)原理[6]，工作原理可用圖6解釋。發(fā)生的氧化復(fù)原反響:工作電極：HCHO+H2O→CO2+4H++4e對(duì)電極：O2+4H++4e→2H2O總反響：HCHO+H2O→CO2+2H2O上述的這些傳感器要么不實(shí)用，費(fèi)用都很高。像使用電化學(xué)法、質(zhì)譜比照分析法、化學(xué)發(fā)光法和催化發(fā)光法等檢測(cè)法的費(fèi)用非常高，不可能普及到普通家庭。目前，最有開展前景的是金屬氧化物半導(dǎo)體，因?yàn)榻饘傺趸锇雽?dǎo)體是普通且廉價(jià)的氣敏材料。只要研制出以金屬氧化物半導(dǎo)體為材料的敏感元件，并消除其他因素的影響，則這將是目前最具有開展前景的新型氣敏元件。不過(guò)，甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氫、氨氣、酒精、液化氣、汽油等氣體都是復(fù)原性氣體，使半導(dǎo)體金屬氧化物都敏感，因而對(duì)甲醛氣體的檢測(cè)造成了干擾，但不同氣敏元件的干擾氣體不同，我們可采用復(fù)合摻雜的方法提高氣敏元件選擇性，要是摻雜物以及摻雜物的濃度搭配適當(dāng)，也有可能消除各種干擾氣體。圖6電化學(xué)甲醛氣敏傳感器工作原理甲醛氣體傳感器還受溫度和濕度影響，如果進(jìn)展溫度和濕度補(bǔ)償，則甲醛氣敏傳感器的選擇性和靈敏度都受到影響。尋找對(duì)甲醛選擇性更好且吸附力更強(qiáng)、敏感度也更高的敏感薄膜是提高其氣敏性能的一個(gè)方向。甲醛氣體分子篩傳感器的選擇性和靈敏度都有待研究，恢復(fù)和響應(yīng)特性也有待提高。如果能找到新的、對(duì)甲醛吸附能力更強(qiáng)的吸附劑，則能提高傳感器的性能。甲醛氣體電子鼻的抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)專一，靈敏度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，檢測(cè)下限低，恢復(fù)-響應(yīng)特性佳，是多種傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。甲醛氣體電子鼻是多種甲醛傳感器復(fù)合，綜合性能較好，是將來(lái)甲醛氣體傳感器研究的重點(diǎn)方向。3.金屬氧化物甲醛氣敏傳感器氣體傳感器的核心部件是傳感器元件中的氣體敏感材料。自從發(fā)現(xiàn)CuO的電阻隨水汽的吸附而改變后，人們便開場(chǎng)關(guān)注半導(dǎo)體金屬氧化物作為氣敏材料[7]。至今，人們已發(fā)現(xiàn)*些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)，經(jīng)研究得出：SnO2、ZnO、Fe2O3是氣體傳感器的三大基系材料。因此，我們可以用這三大基系材料制造甲醛氣敏傳感器。3.1SnO2甲醛氣敏元件SnO2是一種N型半導(dǎo)體，在N型多晶半導(dǎo)體材料中，相鄰晶粒間的接觸局部會(huì)形成雙肖特基勢(shì)壘。假設(shè)吸附氧形成外表負(fù)電荷吸附，會(huì)使接觸勢(shì)壘明顯增高。氣敏元件通常都是置于大氣中工作的，空氣中的氧被吸附在氣敏元件上，形成高阻狀態(tài)。假設(shè)遇到復(fù)原性氣體時(shí)，會(huì)形成外表正電荷吸附，或者說(shuō)吸附的復(fù)原性氣體與已經(jīng)吸附的氧反響，使之脫離吸附外表，從而使接觸局部的勢(shì)壘下降，粒子間能移動(dòng)的電子數(shù)增加，元件的電導(dǎo)率增大。SnO2在室溫下雖能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時(shí)需要加溫。甲醛是一種復(fù)原性氣體，當(dāng)它與SnO2外表接觸時(shí)，會(huì)與SnO2外表吸附的氧發(fā)生反響，使晶粒間接觸的勢(shì)壘降低，從而使元件的電導(dǎo)率增加，電阻降低。但是SnO2材料對(duì)所有復(fù)原性氣體都有一樣的結(jié)果，因此像甲醇、乙醇等氣體便對(duì)甲醛氣體造成了干擾。所以，單純以SnO2為材料不能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體的高精度檢測(cè)。3.2ZnO甲醛氣敏元件ZnO是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，也是一種應(yīng)用較廣泛的氣敏器件。ZnO氣敏元件對(duì)甲醛氣體的敏感機(jī)理和SnO2一樣。只是ZnO甲醛氣敏元件對(duì)對(duì)異丁烷、丙烷、乙烷、氫氣、一氧化碳、甲烷等復(fù)原性氣體的靈敏度比甲醛更高。因此，也不能單純以ZnO為材料便能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體的高精度檢測(cè)。3.3Fe2O3甲醛氣敏元件Fe2O3是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，當(dāng)復(fù)原性氣體與多孔的接觸時(shí)，氣敏電阻的晶粒外表受到復(fù)原作用，其電阻串迅速降低〔機(jī)理與上述兩種一樣〕。這種敏感元件用于檢測(cè)烷類氣體特別靈敏。所以，還是不能單純以Fe2O3為材料便能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體的高精度檢測(cè)。3.4摻雜對(duì)甲醛氣敏元件氣敏特性的改善在氣敏元件的材料中參加微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以增強(qiáng)材料對(duì)氣體種類的選擇性[8]。例如SnO2基體中摻雜鉑金屬時(shí)，則氫和氧在鉑外表原子上吸附和分解，形成吸附氧Oads或吸附氫Hads2Pt+O2→2Pt+Oads2Pt+H2→2Pt+Hads分解后的氧和氫流到半導(dǎo)體的外表，發(fā)生以下反響：Oads+e-→Oads-2Hads+Oads→H2Oads+e-可見，鉑起到了催化加速氧和氫的分解。因此，我們通過(guò)對(duì)基系材料摻雜一定比例的微量金屬單質(zhì)或金屬鹽類來(lái)改變甲醛氣敏元件的特性。我們主要研究以ZnO和SnO2為基系的材料摻雜后對(duì)甲醛氣體的選擇性。3.4.1ZnO-La2O3共摻雜對(duì)SnO2甲醛氣敏元件氣敏性能的改善選用WO3，ZnO，ThO2，La2O3等作為摻雜劑對(duì)溶膠-凝膠法制備的SnO2材料進(jìn)展摻雜，并測(cè)試其甲醛氣敏性能。結(jié)果說(shuō)明ZnO,La2O3的摻雜提高了SnO2對(duì)甲醛的氣敏性。元件的靈敏度隨著ZnO的含量的增加而升高，但相差不是很大。但是ZnO的增加使SnO2元件對(duì)乙醇的靈敏度升高，即乙醇的干擾增強(qiáng)，因此制備元件時(shí)ZnO的含量不宜太大。當(dāng)La2O3含量增加時(shí)，元件對(duì)甲醛氣體的靈敏度隨之升高。同時(shí)摻入3%La2O3和3%ZnO時(shí)，元件對(duì)300×10-6甲醛氣體靈敏度為16〔在110℃時(shí)〕。比單一摻雜的前兩種元件都高。元件對(duì)甲醛的靈敏度隨著甲醛濃度的增加而增加，在10×10-6～300×10-6*圍內(nèi)對(duì)甲醛有很高的靈敏度，而對(duì)乙酸、丙酮、乙醚和甲苯等干擾氣體的靈敏度很低。在最正確工作溫度下，元件對(duì)甲醛具有較好的響應(yīng)-恢復(fù)特性，對(duì)300×10-6的甲醛響應(yīng)時(shí)間為10秒，恢復(fù)時(shí)間為120秒。檢測(cè)下限可到達(dá)10×10-6〔其靈敏度為2.0〕。乙醇對(duì)元件具有一定的干擾，但是加上4?分子篩修飾層以后，乙醇的干擾能力有一定的下降。因此，ZnO-La2O3共摻雜的SnO2傳感器具有較好的選擇性和靈敏度，是一種良好的甲醛敏感元件。3.4.2ZnO中摻雜La2O3對(duì)甲醛氣敏元件氣敏性能的改善ZnO-La2O3共摻雜SnO2所用材料較多，配比復(fù)雜，我們?cè)谶x材時(shí)，在能到達(dá)目的的前提下，我們最好是選材越少越好。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：氧化鋅中摻雜一定比例的La2O3同樣能實(shí)現(xiàn)元件對(duì)甲醛氣體的選擇性，同時(shí)靈敏度也很高。這樣，元件既對(duì)甲醛氣體敏感，又提高了選擇性，同時(shí)還節(jié)省材料和工作量。所以，ZnO中摻雜La2O3有望開發(fā)成一款新型甲醛氣敏傳感器。4ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器檢測(cè)儀性能的研究4.1ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器的制備實(shí)驗(yàn)采用二水合醋酸鋅和乙二醇為原料，以溶膠—凝膠法制備了ZnO納米顆粒。先讓二水合醋酸鋅完全溶解于乙二醇中，使用大功率的超聲輔助離子分散而得到澄清的溶液。在澄清溶液中參加草酸作為催化劑并繼續(xù)使用超聲，使得溶液變得粘稠，顏色變?yōu)槿榘咨?，也就是形成了聚合物的凝膠。用離子水離心清洗凝膠后，將凝膠置于烘箱中以90攝氏度的恒溫蒸發(fā)脫水，得到白色粉末狀前驅(qū)體，將前驅(qū)體研磨精細(xì)后在馬弗爐中以500攝氏度的溫度燒結(jié)，在室溫下冷卻，得到ZnO粉體。將合成的氧化鋅納米材料制成漿料，涂敷在已制有金電極和鉑引線的陶瓷管上，經(jīng)烘干后在高溫爐中煅燒2—3小時(shí)，再將燒好的管芯配上加熱絲焊接在底座上，制備出旁熱式氣敏元件[9]。4.2ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器性能的研究4.2.1工作溫度對(duì)元件靈敏度的影響在制備元件時(shí)，選擇不同La2O3的量來(lái)進(jìn)展摻雜，本人所選的La2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)=摻雜物的質(zhì)量÷總質(zhì)量〕為：0.05%、0.1%、0.15%、0.25%、0.5%、0.65%的比例來(lái)?yè)诫s。按這些比例摻雜后用500攝氏度的燒結(jié)溫度燒制成元件。在甲醛的體積分?jǐn)?shù)為50ppm時(shí)，通過(guò)改變工作電壓來(lái)改變工作溫度來(lái)研究元件的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：在工作溫度為210攝氏度〔對(duì)應(yīng)工作電壓為3.7V〕時(shí)，所有元件的靈敏度都到達(dá)了峰值，即210攝氏度〔3.7V的工作電壓〕為這些元件的最正確工作溫度。雖然在210攝氏度時(shí)所有元件都到達(dá)了峰值，但是每類元件的峰值不同，摻雜0.1%的La2O3的氣敏元件的峰值最大，如圖7。所以摻雜0.1%的La2O3的氣敏元件對(duì)甲醛氣體最敏感[10]。圖74.2.2燒結(jié)溫度對(duì)元件靈敏度的影響選取摻雜0.05%La2O3的元件，分別在300攝氏度、400攝氏度、500攝氏度、600攝氏度下煅燒2小時(shí)。通過(guò)對(duì)50ppm的甲醛氣體的檢測(cè)，結(jié)果說(shuō)明：在溫度為500攝氏度時(shí)，元件的靈敏度到達(dá)峰值，如圖8?？梢?，在離散型取值的情況下，可認(rèn)為500攝氏度是元件對(duì)甲醛氣敏靈敏度最高的燒結(jié)溫度。圖84.2.3甲醛濃度對(duì)元件的靈敏度的影響選取燒結(jié)溫度為500攝氏度、工作溫度為210攝氏度、摻雜0.1%La2O3的元件，慢慢增圖9加甲醛氣體的濃度，發(fā)現(xiàn)元件的靈敏度不斷的增加，如圖9。由此可知；隨著氣體濃度的增加，元件靈敏度不斷提高。4.2.4元件對(duì)甲醛氣體的選擇性摻雜0.1%La2O3并用500攝氏度燒結(jié)而成氣敏元件，在210攝氏度的工作溫度下，對(duì)同等濃度的二氧化碳、氨氣、N2O5和甲醛的靈敏度，最大的是對(duì)甲醛的靈敏度，如圖10。可見，La2O3摻雜使得ZnO元件對(duì)甲醛的選擇性大幅度提高。圖104.2.5元件的響應(yīng)—恢復(fù)曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)定了環(huán)境溫度為25攝氏度，環(huán)境濕度為46%RH時(shí)，工作溫度為220攝氏度，摻雜0.1%La2O3元件對(duì)50ppm甲醛氣體的響應(yīng)—恢復(fù)曲線。定義響應(yīng)時(shí)間為元件接觸被測(cè)氣體后，負(fù)載電阻上的電壓由U0變化為U0+90%〔U*-U0〕所需的時(shí)間；恢復(fù)時(shí)間為元件脫離被測(cè)氣體后，負(fù)載電阻上的電壓由U*恢復(fù)到U0+10%(U*-U0)所用的時(shí)間。計(jì)算可得，元件響應(yīng)時(shí)間為8s，恢復(fù)時(shí)間為20s，表現(xiàn)出很好的響應(yīng)和恢復(fù)特性。如圖11.圖115.完畢語(yǔ)制備了ZnO納米級(jí)旁熱式甲醛氣敏元件，其靈敏度與燒結(jié)溫度、氣體濃度和工作溫度等有關(guān)。對(duì)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.15%、0.25%、0.5%、0.65%的La2O3分析后，得出用500攝氏度燒結(jié)出的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的元件在210攝氏度的工作溫度下對(duì)5ppm的甲醛氣體的靈敏度最高，高達(dá)3.8。并且響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間也得到了提高，分別是8s和20s。致在做論文期間，由于本人忙于工作，用在論文上的時(shí)間有限，但楊留方教授卻在百忙之中抽出時(shí)間從四十多公里開外的雨花到教場(chǎng)來(lái)指導(dǎo)我做畢業(yè)論文。本人非常感謝楊教授，另外，楊教授細(xì)心、認(rèn)真和執(zhí)著的精神深融于我的記憶中。我對(duì)楊教授欽佩的同時(shí)也從他學(xué)到了很多關(guān)于生活和對(duì)工作態(tài)度的東西，這些定會(huì)在我往后的人生中起很大的促進(jìn)作用。在此，我再次真誠(chéng)感謝楊教授的關(guān)心和幫助以及授予我的知識(shí)和做人方法。參考文獻(xiàn)[1]百度百科：baike.baidu./view/1247197.htm

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[3]樊尚春著"傳感器技術(shù)及應(yīng)用"，儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院2009.2[4]百度文庫(kù)："半導(dǎo)體氣敏傳感器"wenku.baidu./view/c892ae86ec3a87c24028c4a6.html[5]百度文庫(kù)："氣體傳感器綜述論文"wenku.baidu./view/5367fe23bcd126fff7050bec.h