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声表面波氨气传感器的制备及其性能研究

唐庆波  
【摘要】:制备高性能声表面波氨气传感器的关键是解决三个耦合:第一个耦合是被测气体分子与传感器敏感膜之间的耦合,第二个耦合则是传感器元件与测试系统之间的耦合,最后一个耦合则是依靠信号分析,将测试的数据转化成气体浓度。为了增强这三个耦合,我们所制备的敏感膜首先应该对靶气体分子有较好的选择吸附性;其次应该与声表面波器件具有很好的兼容性(与压电衬底有好的附着力、在制备过程中不会损坏器件);最后,则是此敏感膜应易于制备并且应该可以较好地控制此敏感层的物理参数(如厚度、粗糙度、均匀性等)。本文运用最广泛的半导体金属氧化物的代表~(____)氧化锌和近年来非常火热的石墨烯基气敏材料,成功制备了基于氧化锌纳米管阵列的声表面波氨气传感器和基于氧化石墨烯的声表面波氨气传感器。ZnO纳米管阵列敏感膜是通过先生长纳米棒,然后将纳米棒转化为中空管的策略进行制备的。先通过溶胶凝胶法和旋涂法在ST-cut石英上生长ZnO种子层,然后通过化学浴法生长ZnO纳米棒阵列,最后通过中性绿色的KCl溶液,将ZnO纳米棒腐蚀成ZnO纳米管。我们成功地在ST-cut石英声表面波器件上生长了纤锌矿ZnO纳米管阵列,且纳米管的尺寸很小,通过XRD表征发现,其具有良好的C轴取向。然而该器件在具备较大的Q值得同时也具备较大的插损。通过改进的Hummers法制备的氧化石墨烯,采用旋涂法在ST-cut声表面波器件上制备了氧化石墨烯敏感层。氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团对增强传感器的灵敏度和选择性具有重大意义:此氧化石墨烯声表面波氨气传感器在室温下对氨气的检测下限为500 ppb,其频移为620 Hz;相比其他常见气体如氢气、硫化氢、二氧化氮、一氧化碳,该传感器对氨气具有良好的选择性。此外,我们还系统地研究了该传感器的传感机理,弹性负载是其正频移的主要原因。


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