SnO2基热线型气体传感器抗湿性能研究

摘要

随着人们生活水平的提高，人们对传感器提出了响应更精准、性能更优良等更高的要求。由于气体传感器长期暴露在大气环境中，环境湿度的变化对其产生较大影响，而如何提高气体传感器的抗湿度干扰能力一直以来是该研究领域的难题之一。本文利用热线型气体传感器的特殊结构，就如何提高SnO2基热线型气体传感器的响应值和抗湿度干扰能力开展研究。通过硝酸氧化法和共沉淀法制备了纯SnO2气敏材料及其它金属及非金属元素掺杂的SnO2基复合材料，采用FT-IR、XRD及SEM等方法表征了纯SnO2及其复合材料的结构和形貌。最后利用制得的复合材料对制备的SnO2基热线型气体传感器进行气敏性能和抗湿性能测试，并根据热线型气体传感器的结构和实验结果分析，讨论了传感器的气敏机理和抗湿机理，研究内容如下：
　　采用硝酸氧化法和化学共沉淀法制备了纯SnO2和Sb掺杂的SnO2（ATO）气敏材料，并对材料做了FT-IR、XRD及SEM等表征，对比分析可知，6％ Sb的掺杂并没有使SnO2材料产生新的晶相，依然为球状的四方金红石结构。对制备的SnO2基热线型气体传感器的敏感元件材料优化结构表明，敏感元件材料选用6% ATO时传感器的响应值最高为435 mV。当补偿元件材料分别选用Al2O3和SnO2时，传感器对1000 ppm H2的响应值和抗湿性有较大区别。其中，补偿元件材料为SnO2时，由于敏感元件和补偿元件为同SnO2基材料，传感器对H2的响应值由435 mV降低到170 mV；但正因为两种元件为同基体材料，相对湿度在20%-90%间变化时，传感器才表现出了良好的抗湿度干扰能力，湿度引起的响应值的相对偏差由±14.0%降低到±7.3%。
　　为了改善由于补偿元件材料被SnO2替换后传感器响应值降低的情况，本文在分析热线型气体传感器的特殊结构以及气敏机理的基础上，在保证良好抗湿性的条件下，对补偿元件材料做了掺杂改性，以提高传感器的响应值。采用化学共沉淀法制备了Zn、Mg、Cu和Si的不同掺杂比例的SnO2基复合材料，并对复合材料做FT-IR、XRD及SEM等表征。结果显示，与纯SnO2材料相比，5%Zn、2%Mg、0.8%Cu和0.7%Si掺杂的SnO2基复合材料并未产生新的晶相，均为四方金红石结构，其形貌均为球状。对制备的SnO2基热线型气体传感器进行气敏性能和抗湿性能测试，结果显示，敏感元件材料固定6%ATO不变，补偿元件材料分别为不同的SnO2基复合材料时，传感器对1000 ppm H2的响应值均有较大提高，其中补偿元件材料选用0.8%Cu掺杂SnO2基复合材料的传感器响应值达到479 mV。而且相对湿度在20%-90%间变化时，相对于20℃和50%RH条件下，传感器在空气中的零点漂移均小于±15 mV，并且在H2中传感器响应值的变化也很小，说明传感器保持了良好的抗湿度干扰能力，其中补偿元件材料选用0.8%Cu掺杂SnO2基复合材料的传感器表现最优，湿度引起的响应值的相对偏差小于±4.3%。本文从热线型气体传感器的特殊结构出发，为解决气体传感器抗环境湿度干扰能力弱的问题提供了新思路。

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1 绪论

1.1 传感器概述

1.2 气体传感器概述

1.3 敏感材料概述

1.4 气体传感器的抗湿性

1.5 热线型气体传感器

1.6 选题背景和研究意义

1.7 课题研究内容

2 SnO2基热线型气体传感器抗湿性

2.1 实验试剂与仪器

2.2 材料制备

2.3 材料表征

2.4 SnO2基热线型气体传感器的制作及抗湿性测试

2.5 测试结果分析

2.6 气敏机理及抗湿机理

2.7 本章小结

3 低价金属元素掺杂的SnO2基热线型气体传感器抗湿性

3.1 实验试剂与仪器

3.2 纳米复合材料制备

3.3 材料表征

3.4 响应值和抗湿性测试及分析

3.5 机理分析

3.6 本章小结

4 Si掺杂的SnO2基热线型气体传感器抗湿性

4.1 实验试剂与设备

4.2 Si掺杂SnO2基纳米材料的制备

4.3 材料表征

4.4 响应值与抗湿性测试及分析

4.5 机理分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢