CuO气敏元件的制备及气敏性能研究

CuO 气敏元件的制备及气敏性能研究收稿日期:2006-02-16.作者简介:侯振雨(1965-),男,河南卫辉人,副教授,从事分析测试技术和气敏材料的研究工作。

侯振雨,谷永庆,张玉泉,王建新(河南科技学院化工系,河南新乡453003)摘要:用Cu 2O 制备Cu O 气敏元件,对乙醇、汽油、丁烷和氢气等气氛进行气敏试验,并进行机理分析,结果表明,由Cu 2O 制备的CuO 气敏元件,对所测气体的灵敏度优于由Cu O 制备的气敏元件。

关键词:Cu 2O;气敏元件;气敏材料;CuO中图分类号:TP202 文献标识码:A 文章编号:1673-6060(2006)01-0069-03Preparation and Properties of Cu O Gas SensorHOU Zhen-yu ,et al .(Depart m ent of Che m ica l Eng i n eer i n g ,H enan I nstitute of Sc i e nce and Technology ,X i n x i a ng ,H enan ,453003,China)Abst ract :G as senso r w ith CuO structure was prepared through Cu 2O,and the gas sensi ng propertiesw ere tested under di-f ferent at m osphere cond iti ons ,inc l udi ng ethano,l g aso li ne ,butane and hydrog en ,respecti v ely .T he resu lts i ndicate tha t the gas senso r prepared t hrough Cu 2O exce l s the one directl y prepared t hrough CuO i n sensiti v ity .K ey w ords :Cu 2O,gas senso r,gas sensi ng ma teria,l Cu O 随着科技和生活水平的提高,人们对生存环境的要求越来越高,因而对气体传感器的要求也越来越高。

金属氧化物传感器由于其体积小、耗电低、灵敏度高、检测方便等优点,得到了广泛的应用[1-3]。

目前,SnO 2、ZnO 、Fe 2O 3、WO 3等金属氧化物常用于制作旁热式气敏元件。

金属氧化物的制备方法和元件的制作工艺不同,气敏元件的灵敏度也不同[4-5]。

本文采用不同方法合成Cu 2O 气敏材料,并将其制备成旁热式气敏元件。

在高温烧结时,利用空气中的氧将Cu 2O 氧化成CuO 敏感膜,用乙醇、汽油、丁烷和氢气等气体测试其气敏性能。

1 实验部分1.1 Cu 2O 和CuO 气敏材料的制备(1)取25m l0.5m o l #L -1Cu(NO 3)2溶液于烧杯内,在磁力搅拌下滴入0.5m ol #L -1Na OH 溶液至沉淀完全。

用抽滤方法将沉淀分离,并洗涤干净,于200e 烘干2h ,得黑色CuO 气敏材料,记为1#。

(2)分别取25m l0.5m o l #L -1Cu(NO 3)2溶液于烧杯内,加入50mL0.5m o l #L -1N a OH 溶液,混合均匀,加入过量盐酸羟胺溶液。

沉淀经减压抽滤并洗涤干净后,于红外线干燥箱内烘干2h ,得红色Cu 2O 气敏材料,记为2#。

(3)按方法(2),用抗坏血酸作还原剂制备Cu 2O,记为3#。

(4)取20m l 裴林试剂乙与25m l0.5m o l #L -1Cu(NO 3)2溶液混合,在加热条件下,加入葡萄糖溶液至沉淀完全。

沉淀经减压抽滤并洗涤干净后,于红外线干燥箱内烘干2h ,得红色Cu 2O 气敏材料,记为4#。

1.2 CuO 气敏元件的制备将合成的Cu 2O 气敏材料于玛瑙研钵中研磨后,用自制胶黏剂调成糊状,并均匀涂在旁热式气敏元件的陶瓷管上,凉干后,于700e 的马弗炉内烧结2h ,即制成CuO 敏感膜。

其基本原理为:2Cu 2O +O 2=4CuO将CuO 敏感膜安装在气敏元件基座上,即制成旁热式气敏元件。

在加热电压5V 的条件下,空气69第34卷 第1期Vo.l 34 No .1河南科技学院学报(自然科学版)Journal ofH enan Institute o f Sc i e nce and Techno logy 2006年3月M ar .2006中老化10d。

由1#、2#、3#和4#气敏材料制备的气敏元件分别记为1#、2#、3#和4#气敏元件。

1.3测试原理采用静态配气方法,配制乙醇、汽油、丁烷和氢气(体积比均为0.01%)等气样,在汉威-10A电子测试仪(河南汉威电子有限公司产)上对气敏元件进行性能测试。

气敏元件的灵敏度(B)以元件在检测气体中的电阻值(R g)与清洁空气中电阻值(R a)之比表示,即B=R g/R a,B越大,气敏元件的灵敏度越高。

2结果与讨论2.1CuO气敏元件制备方式对其性质的影响CuO气敏元件分别由CuO和Cu2O气敏材料制备,并对乙醇、汽油、丁烷和氢气进行测试。

1#、2#、3#和4#气敏元件的灵敏度-加热电压曲线分别见图1、图2、图3和图4。

可以看出,由Cu2O通过表面反应制备的CuO气敏元件,对乙醇、汽油、丁烷和氢气的测试灵敏度,均优于由CuO直接制备的气敏元件。

这可能是Cu2O通过表面反应制备的CuO颗粒细小,吸附能力强的缘故。

2.2气敏材料合成方法对气敏元件的影响比较图2、图3和图4,可以看出,方法2合成的气敏材料,对所测气体的灵敏度较好,但选择性较差;方法3合成的气敏材料,对汽油的选择性得到了较大的提高。

这是因为不同原料合成的气敏材料,其表面修饰物和颗粒大小不同,结果导致元件的气敏性能不同。

图1灵敏度-加热电压曲线图2灵敏度-加热电压曲线图3灵敏度-加热电压曲线图4灵敏度-加热电压曲线2.3电阻-温度特性的分析与讨论元件的电阻随加热电压的变化情况,可用元件的电阻-温度特性曲线来表示。

1#、2#气敏元件的电阻-温度特性曲线分别见图5和图6。

可以看出,随着加热电压的升高,各元件的电阻均有明显降低。

当加热电压小于4V时,电阻下降的速度较快;加热电压大于4V以后,电阻下降缓慢且较小。

这是因为CuO为P型半导体,当加热电压较小时,气敏元件的温度较低,表面的吸附氧多为分子化学吸附,电阻较高;当加热电压较高时,气敏元件的温度也较高,CuO表面的吸附氧由分子化学吸附转化为离子化学吸附[6-7],即:O2(ads)+e-=O2-(ads)O2-(ads)+e-=2O-(ads)O-(ads)+e-=O2-(ads)电子由CuO内部移动到其表面,使其有较多的空穴,故其电阻较小。

可以看出,由Cu2O制备的CuO敏感膜,在测试电压范围内电阻均较小,即Ra较小。

由B=Rg/R a可知,对同样的Rg,较小的Ra,则其B较大。

即由Cu2O制备的CuO敏感元件,其702006年河南科技学院学报(自然科学版)灵敏度应高于由CuO制备的敏感元件。

这一结论和实验结果正好吻合。

2.4敏感机理由图1、图2、图3和图4可以看出,当加热电压较低时,元件的灵敏度一般较高。

该结论可由表面控制模型加以解释[6,7]。

温度较低时,CuO表面吸附了一定量的O2-,当其与还原性气体接触时,O2-与还原性气体发生氧化还原反应,将电子由表面重新输送到CuO内部,使其空穴减少,电阻升高,即表现出一定的气敏性;当加热电压较高时,元件的灵敏度一般较低。

这一现象可用体电阻控制模型进行说明[7]。

当温度较高时,CuO本身也能够与还原性气体发生氧化还原反应而生成Cu,如H2在温度高于280e时[8],可发生下列反应:图51#元件电阻-电压特性曲线图62#元件电阻-电压特性曲线H2+CuO H2O+Cu而铜是一种良好的导体,因此,元件的电阻变化较小,即灵敏度较低。

3结论3.1由Cu2O经高温烧结反应制备的CuO气敏元件,灵敏度高于由CuO直接制备的气敏元件。

3.2气敏材料的合成方法不同,制备的气敏元件灵敏度和选择性也不同。

由方法3合成的Cu2O气敏材料,CuO气敏元件对汽油的灵敏度和选择性均较高。

3.3CuO气敏元件在不同温度的气敏性能,可用不同的气敏机理进行说明。

在低温时,为表面控制模型;在高温时,为体电阻控制模型。

参考文献:[1]吴玉锋,田彦文,韩元山,等.气体传感器研究进展和发展方向[J].计算机测量与控制,2003,11(10):731-734.[2]宋明歆,殷景华.Sn O2气敏元件敏感性能的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2005,10(4):19-21.[3]徐毓龙.金属氧化物气敏传感器[J].传感技术学报,1997,10(1):79-82.[4]祝柏林,谢长生.ZnO气敏材料的研究进展[J].传感技术学报,2002,4:35-359.[5]宁文生,杜丕一,翁文剑,等.气敏材料的研究进展[J].材料导报,2002,16(8):45-47.[6]田敬民,李守智.金属氧化物半导体气敏机理探析[J].西安理工大学学报,2002,18(2):144-147.[7]常剑,蒋登高,詹自力,等.半导体金属氧化物气敏材料敏感机理概述[J].传感器世界,2003,8:14-18.[8]高仕荣.工业分析[M].北京:化学工业出版社,1988.71侯振雨等:CuO气敏元件的制备及气敏性能研究第1期。