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陶瓷微加工钯掺杂一氧化碳气体传感器的研究

薛严冰  
【摘要】: 针对目前商用陶瓷气体传感器功耗大、封装难的缺点,提出一种陶瓷微加工微热板式气体传感器的结构和无内引线封装的方式。用有限元方法对陶瓷微热板的热特性进行模拟,为器件结构的优化提供理论指导。建立了陶瓷微热板的稳态传热模型,并将模型计算结果同有限元模拟结果比对。在对湿法腐蚀微加工陶瓷材料工艺方法探索的基础上,确定了准分子激光微加工的技术路线,用该方法制作了不同结构参数的陶瓷微热板器件。测试结果表明,当板上平均温度为300℃时,所需最小加热功率为200 mW,425mW加热功率可使热板平均温度达到600℃。在600℃工作温度下,Pt微加热器具有良好的阻值稳定性和抗热冲击能力。陶瓷微热板可用于低功耗、高温气体传感器中。 以CO气体为检测对象,研制恒电压加热方式下低功耗陶瓷气体传感器。提出陶瓷微热板应用于气体传感器时,气敏膜可同加热器做在同一面的方法。建立了等效电路模型,理论分析了该方法的可行性,根据分析结果提出加热电源可兼做测试电路电源的测试方法。 用直接沉淀法,氨水回溶成胶法,柠檬酸回溶成胶法三种方法制备了SnO_2纳米粉体。以粉体粒径为指标,确定氨水回溶成胶法为最佳制备方法。在此基础上,制备了Pd原子掺杂浓度比分别为0.2%、2%、10%的三种掺杂粉体。制作了不同Pd掺杂浓度的CO厚膜陶瓷微热板气体传感器,并对敏感膜形貌进行了表征。 在自行搭建的气体测试平台上对四种敏感材料气体传感器进行了气敏特性测试,从灵敏度、选择性、稳定性、响应时间、环境温湿度影响等几个方面,研究不同浓度Pd掺杂对CO气体传感器的影响。由实验测试结果综合评价,0.2%Pd掺杂为CO检测的最佳掺杂浓度。在最佳工作温度200℃时,0.2%Pd掺杂器件对CO气敏性能良好,加热功率仅为130 mW,有望成为一种实用的恒电压加热方式CO气体传感器。 结合实验结果,采用密度泛函理论计算的方法,研究SnO_2基CO气体传感器的敏感机理。建立了化学计量型和缺氧型两种SnO_2(110)表面模型,计算其表面结构及电特性。选用气体传感器中几种常见的添加金属Pt、Pd、Cu、Ag,研究其对CO吸附反应的催化特性,为选择Pd作为CO气体传感器的掺杂剂提供理论依据。建立CO分子在SnO_2(110)面的吸附模型,通过比较CO在未掺杂和Pd掺杂SnO_2(110)表面吸附特性的不同,研究Pd掺杂改变CO气敏特性的机理。


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