电子功能材料实验课后思考题答案

电子功能材料实验课后思考题答案
一、纳米SnO2材料的制备方法主要有三类：
1）从气相中合成纳米SnO2，这种方法主要有溅射法、蒸渡法、化学气相淀积法等。

这种方法微粒尺寸为几埃，使用于有机离子盐，材料精确可控，要求设备精度高。

2）液相中合成纳米SnO2，这种方法主要有化学沉积法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法等。

使用广泛，大多数金属盐类都可溶，均一性好，尤其做混合组分时优点明显，但产量小，产率低，有损失，适合科研院所，仪器设备简单。

3）固相中合成纳米SnO2，这种方法主要包括固相反应法、机械粉碎法和金属盐分解等。

最原始的方法，高温煅烧的方法，耗能反应，产物均匀性差，原理简单，操作容易。

2、制备SnO2粉体材料的原理？
采用沉淀法，沉淀法是在金属盐类的水溶液中，控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应，产生水合氧化物或难容化合物，使溶质转化为沉淀,然后经分离、干燥或热分解而得到纳米颗粒。

SnCl4?5H2O遇水后水解，形成氢氧化氧锡白色沉淀：SnCl4?5H2O + H2O = SnO(OH)2↓+ 4HCL加热可使水解生成的SnO(OH)2 在酸性溶液中进一步转变成Sn4+，在氨水作用下形成Sn(OH)4 白色沉淀。

SnCl4?5H2O + 4NH3?H2O = Sn(OH)4
↓+ 4NH4Cl
所形成的Sn(OH)4沉淀物，颗粒较细，有时不易离心沉淀，可适当加热进行陈化，然后再离心清洗。

沉淀物经干燥、灼烧后即得到SnO2气敏材料。

Sn(OH)4 = SnO2 +2H2O
3、在制备 SnO2超微粉体材料过程中影响材料颗粒度大小的工艺条件有哪些？为什么？
1）原材料种类。

SnCl4，氨水。

2）配制溶液的浓度。

SnCl4，氨水浓度不能太大，反应速度快，最终产物颗粒大小不均匀；浓度太低，会延长反应时间，使得产物最
终长大，发生成核长大过程。

3）反应速度。

4）反应结束溶液PH值。

PH值在酸性范围时，所得到的SnO2对还原性气体敏感；PH值在碱性范围时，所得到的SnO2对氧化性气体敏感，并且随着PH 值的增大，SnO2颗粒尺寸先下降，上升，再下降，上升。

在酸性碱性范围内各有最低点。

5）烧结温度。

温度太高，颗粒会长非常大；温度太低，达不到分解的目的，产物不纯，含Sn(OH)4，Sn(OH)4在450℃以上才分解。

*0.01mol氯化锡，6ml氨水1：5稀释，滴定1滴每秒离心3次每次5min* 二、半导体气敏元件的检测原理
当气敏元件与被测气体接触时，气体被半导体表面吸附使其电导率发生变化，电导率的改变随气体的成分、种类和浓度的不同而异，并与元件的工作温度有关。

半导体气敏元件分n型和p型两种。

N 型气敏元件通常以SnO2,ZnO,WO3等为基体材料，p型气敏元件以NiO,CoO等为基体材料。

对n型气敏元件，当遇到可燃气体（还原性气体）如H2, CO, C2H5OH等时，元件的电阻率下降，遇到O2, NO2, Cl2 等气体时，电阻率增大，p型元件则与其相反。

一般气敏元件的阻值R与被测气体浓度 C成对数关系变化： logR = mlogC + n 其中m, n均为常数。

2、从气敏元件配方讨论如何调整元件阻值和灵敏度？
家用橱房报警器敏感元件的主要成份：主料ZnO 100mg 元件的主体材料
降阻剂Sb2O3 1mg 降低阻值
催化剂 MgO 1mg 提高灵敏度
3、浆料的研磨：将按一定比例称好的ZnO和Sb2O3, MgO等掺杂剂放入玛瑙研钵中，先干研10min，然后用滴管滴入少量去离子水进行研磨，约研磨20min，呈浆糊状。

4、气敏元件管脚分布：
1 4--信号丝
2 5—加热丝
3 6
5、加热丝的作用：提高吸附时间，降
低脱附时间，加快排除气体，以便下次
检测。

6、测试：2-5脚之间电阻：38Ω±2Ω，1-3、2-4脚之间电阻小于2Ω。

三、湿度定义
所谓湿度实际上就是大气中所含水蒸
气的多少。

通常有两种度量方法：一种
是绝对湿度，另一种是相对湿度。

绝对湿度是指单位体积大气中所含水
气的质量，以Kg/CM3表示。

相对湿度是指在某一温度下大气中水
蒸气压（PV）与同温度下水的饱和蒸汽压（PS）的百分比，常以%RH 表示。

RH 为相对湿度的英文缩写。

2、湿敏元件结构：
3、步骤：
1）感湿膜的配制：
高分子感湿材料是有疏水性（Bu）和亲水性（Qb）以7 ：3的比例聚合而成。

实验中溶解感湿材料的溶剂为乙醇，在
实验中感湿膜的配比如下：感湿膜：
高分子材料与溶剂乙醇的配比=0.1g：
1ml 15min
2）衬底的制作：
在陶瓷衬底上面以金浆进行丝网漏印
成梳状电极，经8000C以上的高温烧结成Au电极，焊上引线备用。

3）涂感湿膜：把带有金点板的陶瓷基
片用甲苯,乙醇浸泡后取出用乙醇棉球擦干。

然后用浸涂法把毛刷蘸上感湿膜涂在已经处理好的干净的带有金电极的陶瓷衬底上，经过红外灯烘干老化后，制成高分子湿度传感器待用.注意：在涂膜时一定注意膜不要涂的过厚或过薄,因为过厚或过薄在测试电阻时容易超出测试范围,无法测量湿度的性能. 所以涂膜时一定要适量.要用毛刷从前到后一层一层的涂抹.这样我们才能得到性能良好的高分子电阻型湿敏元件. 2次 2min 3min
4）保护液的配制：用乙基纤维素与乙酸乙脂按0.1g：4ml配比而成。

大于等于20min。

5）涂保护膜：为了提高耐水性，必须在涂上一层保护膜。

用毛刷蘸取保护液涂在烘干好的湿敏元件表面，然后在红外灯下烘干待测。

1次 3min
4、测试：用数字万用表，电阻增加到4.5M左右，对感湿膜哈气，电阻值迅速下降。

四、影响气敏元件灵敏度的因素有哪些？并说明理由。

影响气敏元件响应恢复快慢的因素有哪些？为什么？（即影响传感器性能的因素）
答：1）制作传感器的基体材料。

不同材料颗粒大小、吸附气体（氧）、反应快慢不同。

2）掺杂质的加入。

种类、量影响传感
器性能。

催化活性不同。

3）测试过程中工作温度不同。

都存在
最佳工作温度即峰值，低或高都减弱其
性能，温度低时反应活性不够强，高时
影响气体在表面吸附。

4）待测气体浓度。

浓度太大灵敏度大，响应快，恢复慢。

5）气体种类。

材料对不同气体灵敏度
不同。

2、样气配制：
有静态和动态两种方法。

静态法操作简单，适于测量浓度较大的气体，动态法
适于测量更低浓度（ppb级）的气体，
精度高，操作复杂。

静态配气法：将配气瓶（一般为
1000ml），抽空充气反复清洗干净，然
后用注射器取计算量的标准气体注入
瓶中，盖紧瓶盖备用。

动态配气法：通过流入气体稀释仪的标
准气与主载气流量比来调节浓度大小。

3、原理：半导体气敏元件的检测原理是，当气敏元件与被测气体接触时，气
体被半导体表面吸附使其电导率发生
变化，电导率的改变随气体的成分、种
类和浓度的不同而异，并与元件的工作
温度有关。

4、半导体气敏元件分n 型和p型两种。

N型气敏元件通常以SnO2,ZnO,WO3等为基体材料，p 型气敏元件以NiO,CoO 等
为基体材料。

对n 型气敏元件，当遇到可燃气体（还原性气体）如H2, CO,
C2H5OH等时，元件的电阻率下降，遇到O2, NO2, Cl2 等气体时，电阻率增大，p 型元件则与其相反。

一般气敏元件的
阻值R 与被测气体浓度C 成对数关系
变化：
logR = mlogC + n 其中m, n 均为常数。

5、响应恢复时间的测量：
Ro—元件在空气中的阻值；
Rg—元件在1000ppm待测气体中的稳定值；
Rg′—元件在1000ppm待测气体中按90%定义的响应时间所对应的电阻值；Rg〞—脱离待测气体，按90%定义的恢复时
间所对应的元件阻值；
Rg′=Ro-(△R×90%)；
Rg〞=Rg+(△R×90%)；
△R =Ro-Rg；
第一次测量：记下Ro和Rg值，然后依以上各式算出Rg′、Rg〞、△R值。

第二次测量：将元件放入气瓶开始记时，待元件阻值变到Rg′时止，所经
时间即为响应时间tr1；将元件从稳定
值（Rg）状态离开气瓶开始计时到元件阻值变到Rg〞时止，所经时间即为恢
复时间tr2。

五、为什么将湿敏元件放在湿度源，
要过一段时间以后，一般是20分钟，
读出元件的复阻抗值才能反映出元件
的实际值？
答：一方面因为空气中的水蒸气浓度与
湿度源中的水蒸气浓度不同，在实验过
程中，有个向湿度源中放入湿敏元件过程，这使得湿度源中的蒸汽与空气中的
水蒸气有一个扩散过程，所以要等待一
定的时间待其达到平衡。

另一方面将湿
敏元件放入湿度源中后元件表面的敏
感膜吸附或者脱附水分子也需要一定
的时间才能达到平衡状态。

2、如果对于同一种感湿材料而言，敏
感膜变薄，元件的阻抗会变大还是会
变小，为什么？
答：敏感膜的膜厚对元件的阻抗值有影响，涂的敏感膜越厚，元件的阻抗值会
越小，将每层薄膜看成一个电阻，则相
当于多个电阻的并联，并联的电阻越
多，总的电阻则越小，因此，敏感膜越
厚元件的阻抗值会越小。

3、湿度：表示空气中水分子含量的物
理量。

目前所用湿度传感器大多
数是测量气氛中的水蒸气含量。

可用绝
对湿度、相对湿度、露点等表示。

相对湿度：表示空气中实际所含水蒸气
的分压（PW）和同温度下饱和水蒸气的
分压（PN）的百分比。

其数学表达式为
Hr=(PW/PN)T×100%RH，通常，RH 表示相对湿度。

当温度和压力变化时，因饱
和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。

湿度元件是指对环境湿度具有响应或转换成相应可测信号（如电阻、
电容或频率等）等元件。

湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，
它是把环境湿度转换为电信号的装置。