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《郑州大学》 2003年
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纳米In_2O_3气敏性能及其气敏机理研究

詹自力  
【摘要】:半导体气体传感器因其具有结构简单、成本低廉、灵敏度高、工艺成熟等优点,使其在可燃气体、毒性气体的检漏报警,环境气体的监控等领域得到了广泛的应用。 对于SnO_2、Fe_2O_3、ZnO等传统的半导体气敏材料,自60年代以来广大科技工作者已进行了广泛而深入的研究,使SnO_2基气体传感器在民用和工业等方面的应用得到了很大发展。但到目前为止,半导体气敏元件仍然存在选择性差、功耗高、环境温湿度效应大等缺点,而且对其气敏机理的认识还不是十分清楚,从而限制了气体传感器的发展和应用。针对目前半导体气敏元件中存在的问题,本文对新型气敏材料纳米In_2O_3的合成、气敏性能和气敏机理等有关问题进行了较为系统的研究。研究内容如下: 本文采用激光透过率法对非离子表面活性剂Triton X—100微乳液体系的相行为进行了研究,考察了油相(烃类)、助表面活性剂、温度和盐度对W/O(油包水型)微乳液区域的影响,筛选出了适合无机纳米材料合成的微乳液体系。该体系具有较大的W/O微乳液区域和较大的增溶水量,受盐度和pH值的影响小,是较为理想的合成无机纳米材料的微乳液体系。 提出了一种采用微乳液法合成纳米In_2O_3的工艺路线,研究了影响In_2O_3粒径的各种因素,优化了合成条件。在优化条件下制备的In_2O_3为球形,粒径分布在非常窄的范围内。在一定程度下可以控制颗粒的粒径大小,平均粒径最小的为6.44nm,最大直径为42.00nm。 同时对纳米In_2O_3的气敏性能进行了研究,结果表明In_2O_3对H_2、i-C_4H_(10)和C_2H_5OH有着较高的灵敏度,而且电阻率小,催化活性高,是研究新型低功耗气敏元件的理想材料。 本文利用In_2O_3具有较小电阻率和较高的催化活性的特点,对新型低功耗气敏元件进行了研究。首次研制出了新型低功耗热线型可燃气体气敏元件和热线型C_2H_5OH气体气敏元件。这两种气敏元件与传统的旁热式气敏元件相比,功耗降低一半以上,有着良好的抗环境温湿度干扰的能力,解决了旁热式气敏元件中长期存在的这两个问题,同时所研制的元件还具有灵敏度高,响应—恢复时间短,稳定性好等特点。这两种气敏元件已经在河南汉威电子有限公司投入生产并得到了用户好评,目前国内市场还未见热线型气敏元件的销售。 利用表面修饰技术研制出了低功耗热线型H_2气敏元件和LPG(液化石油气)气 中文摘要 敏元件。H:气敏元件对H:有很高的灵敏度和很好的选择性,元件的环境温湿度效 应小,稳定性好。LPG气敏元件功耗(75mw)远低于旁热式气敏元件(700衅),该 元件响应一恢复时间短,稳定性较好,为便携式气体检测器的研制奠定了基础。 热线型气敏元件是近年来才开始被研究的一种新型的半导体气敏元件,目前 还未见对其气敏机理分析的报道。本文对其气敏机理进行了分析,讨论了影响气 敏元件灵敏度的因素,发现热线型气敏元件的基本气敏机理与传统旁热式气敏元 件相同,也是依靠目标气体与气敏材料表面上吸附的负氧离子(0一和02一等)的反 应,消耗部分负氧离子,从而引起气敏材料的电阻值发生变化达到检测目标气体 的目的。但热线型气敏元件的气敏机理与旁热式气敏元件也有不同之处,并从理 论上分析了影响热线型气敏元件灵敏度的因素,推导出灵敏度计算公式。即目标 气体与气敏材料表面吸附的氧离子的反应不仅使敏感元件的电阻值减小,而且使 补偿元件的电阻值增大,这两方面的作用对元件的灵敏度都有贡献,其共同作用 的结果使热线型气敏元件有较高的灵敏度,同样由于补偿元件的存在,环境温湿 度不仅影响敏感元件电阻而且同时也影响补偿元件的电阻,并且对敏感元件和补 偿元件的影响趋势是相同的(同时增大或减小),敏感元件的温湿度效应得到了部 分补偿,所以热线型气敏元件受坏境温湿度影响较小。 研究发现气敏材料的催化性能与其气敏性能有密切的关系,催化活性的高低 直接影响元件灵敏度的大小。催化活性太高,则目标气体在气敏材料的外层被反 应掉,不能够影响气敏材料内层的电阻值,元件灵敏度反而较低,而催化活性太 低,则目标气体不能与吸附氧离子发生化学反应,也表现出较低的灵敏度。因此, 我们认为较为理想的情况是目标气体扩散进入气敏材料最内层时被反应掉,这时 元件的灵敏度最高。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TB383

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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3 唐才荣;催化燃烧式气敏元件测试分选系统硬件设计[D];哈尔滨理工大学;2008年
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5 林金阳;基于霍耳效应的气敏传感器的研制[D];福州大学;2006年
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10 宋毅华;SnO_2甲烷气体传感器的优化设计与试制[D];吉林大学;2008年
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