酞菁薄膜材料气体传感器研制及其特性研究

【摘要】： 气体传感器作为新型敏感元器件,近年来有了很大的发展,其核心薄膜型气敏材料以其独特的微观结构和物理、化学性能以及优良的表面特性主导了气敏技术的发展方向。金属酞菁配合物(MPc)是一种P型有机半导体,具有良好的化学稳定性和热稳定性。由于MPc骨架结构特征和可通过选择中心离子、轴向配体和在酞菁环上引入功能性取代基团等方法调整其分子的组成与结构,因此它具有特定的光、电、声、热、磁、化学等性质。 本文首先讨论了酞菁配合物的气敏机理、薄膜特性及中心金属和取代基对气敏性的影响及其规律。研究结果表明,酞菁配合物的气敏性不仅与其自身的结构特点(如中心金属、外围取代基)有关外,还与其膜的形貌有关。本课题在研究了酞菁配合物的合成方法的基础上,利用苯酐—尿素液相法合成了金属酞菁配合物,通过XRD和红外光谱表征了配合物和分子结构。采用真空镀膜的薄膜制备技术,在叉指电极上形成敏感薄膜,扫描电子显微(SEM)形貌分析表明,薄膜颗粒尺寸均匀。通过紫外—可见吸收光谱可以发现金属酞菁配合物半导体材料,主要有两个吸收带,一个是在600~800nm附近的Q带;另一个是在250~350nm附近的B带。同时通过对薄膜进行退火处理后的实验研究证实,吸收光谱发生红移,说明了金属酞菁晶型由α型转变为β型。 本文同时利用Intellisuite软件对气体传感器结构进行模拟,设计并制作了MEMS集成薄膜型气体传感器,并从理论上分析了薄膜型气体传感器的工作原理。对研制出的气体传感器敏感材料特性进行了测试分析。测试结果表明,气体传感器工作在室温或较低温度下能够使金属酞菁敏感膜发挥最佳的敏感性能。该敏感膜对氧化性气体NO2具有较好的选择性,电流随NO2气体浓度的增加而增大,符合氧化性气体(NO2)吸附到P型半导体上时将使载流子增多,电阻减小,电流增大的规律。酞菁铜薄膜对NO2气体响应速度较快,气体浓度是160ppm时响应时间为6s,恢复时间为15s。退火前的NiPc薄膜对65ppm NO2响应时间为13s,经过退火处理后响应时间为1.8min。而还原性气体H2、NH3和CO具有相似的电流—浓度变化规律,与氧化性气体NO2的变化规律相反。