纳米晶金属氧化物半导体气体传感器及其检测特性研究

摘要

变压器油中溶解气体在线监测已经成为实现运行变压器状态检修的重要手段，油中溶解气体在线监测的关键是气体检测的传感器技术，而金属氧化半导体气敏传感器能很好地应用于油中溶解气体在线监测。然而目前国内外在线监测装置中所采用的金属氧化物半导体传感器存在灵敏度低、数据分散性大、使用寿命短以及长期运行稳定性差等不足，严重制约了该技术的应用及发展，因此对金属氧化物半导体传感器进行深入的研究具有十分重要的价值和意义。
　　 本文通过对金属氧化半导体传感器特性及气敏机理的分析，结合纳米技术对传感器性能的影响，提出采用Sel-gel法制备掺杂总量为5％的Pd、Pt、Rh、Ir的SnO2和未掺杂的SnO2超细粉体，通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)进行了表征，结果表明制备的粉体为纳米级颗粒，且粒径小，分散性好。
　　 结合实验室气体检测平台研究了采用烧结陶瓷工艺制作的SnO2气敏元件对变压器油中溶解的CH4，C2H6，C2H4，C2H2，H2，CO六种主要故障特征气体的检测特性。结果表明：掺杂元件比未掺杂元件的气体检测特性都有显著提高。其中掺杂元件在4V加热电压时对甲烷表现出最大灵敏度，在4.5V时对乙炔和乙烯出现最大灵敏度，乙烷、氢气和一氧化碳在5V时表现出了最大灵敏度，而未掺杂元件仅在5V时对六种气体的灵敏度表现稍好，其他加热电压下都很差，但是其值仍然很低。掺杂元件对六种气体表现出较好的选择性，其中在4V时对甲烷的选择性很高，在4.5V时对乙炔、乙烯和乙烷烷表现出了一定选择性，在5V时对六种气体的选择性不明显，而未掺杂元件在选择性上并未表现一定的规律性。掺杂元件的线性度都普遍较好，而未掺杂元件的线性度表现并不稳定，相差较大。掺杂元件的响应一恢复时间比未掺杂元件的有明显缩短。掺杂元件的分辨力除甲烷、乙烷、乙烯比标准值稍高以外，其余的三种气体最低检测值都低于标准值，体现了较好的分辨力，而未掺杂元件的分辨力较差。重复性和长期稳定性方面掺杂元件比未掺杂元件也有显著的改善和提高。
　　 结合气体传感器气敏响应机理对制作的纳米晶气体传感器气体检测特性进行了分析，并采用高斯量化软件对分子的轨道能级进行了计算分析，从分子量化角度对气敏元件的气体检测特性进行了定性的解释。