气敏材料的合成与 ppt课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
相转移法的工艺影响因素有:成胶pH值、表面 活性剂类型与浓度、有机溶剂类型与配比、金 属盐的类型等。
图4-156 热导式气敏传感器 a）结构 b）测量电路
电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电 解质，其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流， 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。
半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用 简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之 分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随 气体浓度的增大而增大。
气体传感器主要应用领域
理想气体传感器的特点
目前存在的问题
可靠性 长期稳定性 选择性 被测气体种类 寿命
半导体气体传感器分类
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器 和半导体气敏传感器等。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可 表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电 流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接 触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂 丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的 电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
（4）新型气敏材料的探索与开发
由于金属复合氧化物和混合金属氧化物 新材料具有更高的稳定性和选择性，所 以对这类新材料的开发和研制成为半导 体气体传感器的开发热点。
（5）开发新型气体传感器
根据气体与气敏材料可能产生的不同效应 设计出新型气体传感器是气体传感器未来 发展的重要方向和后劲。近年来表面声波 气体传感器、光学式气体传感器、石英谐 振式气体传感器己有不少研究报导。目前 仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子 就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想 气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研 究类似狗鼻子的“电子鼻”将是气体传感 器发展的重要趋势和目标之一。
该法依工艺过程的不同又可分为共沉淀 法、均相沉淀法、水解沉淀法等。
液相法－相转移法
相转移法是在化学沉淀法的基础上发展起来的。 其基本过程是:先将沉淀制成无机胶体，再用表 面活性剂处理，然后用有机溶剂抽提，制得有 机溶胶，经脱水，脱有机溶剂即可制得纳米气 敏材料。用这种方法制备纳米气敏材料的优点 是颗粒均匀、分散好、原料回收率高。缺点是 工序增加、有机溶剂消耗较多，需注意回收。
（6）气体传感器敏感机理的研究
新的气敏材料和新型传感器层出不穷，需 要在理论上对它们的传感机理进行深入研 究。传感机理一旦明确，设计者便可有据 可依地针对传感器的不足之处加以改进， 这必将推动气敏材料和气体传感器的进一 步发展，也将大大促进气体传感器的产业 化进程。
半导体气敏材料的制备技术
图4-154 气敏电阻的结构及原理
图4-155 气敏电阻的测量电路
半导体气体传感器分类
金属氧化物半导体气体传感器
电阻式
非电阻式
有机半导体气体传感器
半导体气体传感器
SnO2, ZnO是电阻式金属氧化物半导体传 感器气敏材料的典型代表，它们兼有吸 附和催化双重效应，属于表面控制型， 但该类半导体传感器的使用温度较高， 大约200-5000C。为了进一步提高它们的 灵敏度，降低工作温度，通常向基体材 料中添加一些贵金属(如Ag, Au, Pt等)， 激活剂及粘接剂Al2O3, SiO2, ZrO2等。
（2）对现有气敏材料的改性研究
SnO2, ZnO,Fe2O3为基质的半导体气敏材 料仍然是目前市场的主流，但这类材料的 纳米化、薄膜化已渐成趋势；采用表面修 饰技术和掺杂技术来改善同一基质材料对 不同气体的选择性和敏感性。
（3）开发元件的高稳定化方法
电阻式半导体气体传感器的气敏元件一般 暴露在大气中及加热元件的电压值决定了 气敏元件的工作温度，如何消除湿度和温 度等环境因素对测量的影响还未得到很好 的解决。
例如对于含量在1X10-5数量级的H2S气体，添加1 % ZrO2的SnO2气体传感器与未添加ZrO2的元件相 比，灵敏度增加约50倍左右；
在SnO2中添加Pt能明显提高响应时间； 采用粉末溅射技术制备的表面层掺杂SnO2/SnO2 :
Pt双层膜材料气来自百度文库传感器用来检测CO的浓度，发 现可降低工作温度，在室温~200℃内均显示出较 高的灵敏度；
气敏材料的合成与制备
气敏材料研究背景
传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可 将人类需要探知的非电量信息转化为可测量的 电量信息，为人类认识和控制所需对象提供了 条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传 感技术，是本世纪人们在高新技术发展方面争 夺的一个制高点。
气体传感器是传感器领域的一个重要分支，它 是识别气体种类并将其转变为电信号的器件， 是气体定量或半定量检测，泄漏报警、控制等 的理想探头。气体传感器可以是单功能的，也 可以是多功能的;可以是单一的构件，也可以 是许多传感器的组合阵列。
半导体气敏材料主要利用材料的表面吸 附和表面效应而引起自身物理量的变化 来进行检测。
气敏材料的纳米化是提高半导体气体传 感器性能的主要手段之一，通过控制材 料的颗粒尺寸可控制材料的气体敏感程 度。
根据制备原料的状态可分为液相法、固 相法和气相法。
半导体气敏材料的制备技术
液相法－化学沉淀法
化学沉淀法是利用各种在水中溶解的物 质，预先制成含目标化合物金属离子的 盐溶液，在适当的条件(酸度、浓度、温 度等)下，选择适宜的共沉淀剂反应形成 不溶物，沉淀洗涤后，再经热处理制得 所需的金属氧化物或复合氧化物粉体。
通过添加不同的添加剂还能改善气体传感器的选 择性，在ZnO中添加Ag能提高对可燃性气体的灵 敏度，加入V2O5能使其对氟里昂更加敏感，加入 Ga2O3能提高对烷烃的灵敏度。
研究重点
（1）智能化
近年来采用薄膜技术和集成电路技术把 加热元件、温度传感器、叉指电极、气 体敏感膜集成在硅衬底上制成的传感器， 不仅灵敏度比常规多晶膜传感器高得多， 并且结构简单、制作方便，还可以根据 被测气体选择不同的敏感膜，使得该类 传感器成为很有发展前景的新型半导体 气体传感器。
图4-156 热导式气敏传感器 a）结构 b）测量电路
电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电 解质，其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流， 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。
半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用 简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之 分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随 气体浓度的增大而增大。
气体传感器主要应用领域
理想气体传感器的特点
目前存在的问题
可靠性 长期稳定性 选择性 被测气体种类 寿命
半导体气体传感器分类
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器 和半导体气敏传感器等。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可 表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电 流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接 触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂 丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的 电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
（4）新型气敏材料的探索与开发
由于金属复合氧化物和混合金属氧化物 新材料具有更高的稳定性和选择性，所 以对这类新材料的开发和研制成为半导 体气体传感器的开发热点。
（5）开发新型气体传感器
根据气体与气敏材料可能产生的不同效应 设计出新型气体传感器是气体传感器未来 发展的重要方向和后劲。近年来表面声波 气体传感器、光学式气体传感器、石英谐 振式气体传感器己有不少研究报导。目前 仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子 就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想 气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研 究类似狗鼻子的“电子鼻”将是气体传感 器发展的重要趋势和目标之一。
该法依工艺过程的不同又可分为共沉淀 法、均相沉淀法、水解沉淀法等。
液相法－相转移法
相转移法是在化学沉淀法的基础上发展起来的。 其基本过程是:先将沉淀制成无机胶体，再用表 面活性剂处理，然后用有机溶剂抽提，制得有 机溶胶，经脱水，脱有机溶剂即可制得纳米气 敏材料。用这种方法制备纳米气敏材料的优点 是颗粒均匀、分散好、原料回收率高。缺点是 工序增加、有机溶剂消耗较多，需注意回收。
（6）气体传感器敏感机理的研究
新的气敏材料和新型传感器层出不穷，需 要在理论上对它们的传感机理进行深入研 究。传感机理一旦明确，设计者便可有据 可依地针对传感器的不足之处加以改进， 这必将推动气敏材料和气体传感器的进一 步发展，也将大大促进气体传感器的产业 化进程。
半导体气敏材料的制备技术
图4-154 气敏电阻的结构及原理
图4-155 气敏电阻的测量电路
半导体气体传感器分类
金属氧化物半导体气体传感器
电阻式
非电阻式
有机半导体气体传感器
半导体气体传感器
SnO2, ZnO是电阻式金属氧化物半导体传 感器气敏材料的典型代表，它们兼有吸 附和催化双重效应，属于表面控制型， 但该类半导体传感器的使用温度较高， 大约200-5000C。为了进一步提高它们的 灵敏度，降低工作温度，通常向基体材 料中添加一些贵金属(如Ag, Au, Pt等)， 激活剂及粘接剂Al2O3, SiO2, ZrO2等。
（2）对现有气敏材料的改性研究
SnO2, ZnO,Fe2O3为基质的半导体气敏材 料仍然是目前市场的主流，但这类材料的 纳米化、薄膜化已渐成趋势；采用表面修 饰技术和掺杂技术来改善同一基质材料对 不同气体的选择性和敏感性。
（3）开发元件的高稳定化方法
电阻式半导体气体传感器的气敏元件一般 暴露在大气中及加热元件的电压值决定了 气敏元件的工作温度，如何消除湿度和温 度等环境因素对测量的影响还未得到很好 的解决。
例如对于含量在1X10-5数量级的H2S气体，添加1 % ZrO2的SnO2气体传感器与未添加ZrO2的元件相 比，灵敏度增加约50倍左右；
在SnO2中添加Pt能明显提高响应时间； 采用粉末溅射技术制备的表面层掺杂SnO2/SnO2 :
Pt双层膜材料气来自百度文库传感器用来检测CO的浓度，发 现可降低工作温度，在室温~200℃内均显示出较 高的灵敏度；
气敏材料的合成与制备
气敏材料研究背景
传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可 将人类需要探知的非电量信息转化为可测量的 电量信息，为人类认识和控制所需对象提供了 条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传 感技术，是本世纪人们在高新技术发展方面争 夺的一个制高点。
气体传感器是传感器领域的一个重要分支，它 是识别气体种类并将其转变为电信号的器件， 是气体定量或半定量检测，泄漏报警、控制等 的理想探头。气体传感器可以是单功能的，也 可以是多功能的;可以是单一的构件，也可以 是许多传感器的组合阵列。
半导体气敏材料主要利用材料的表面吸 附和表面效应而引起自身物理量的变化 来进行检测。
气敏材料的纳米化是提高半导体气体传 感器性能的主要手段之一，通过控制材 料的颗粒尺寸可控制材料的气体敏感程 度。
根据制备原料的状态可分为液相法、固 相法和气相法。
半导体气敏材料的制备技术
液相法－化学沉淀法
化学沉淀法是利用各种在水中溶解的物 质，预先制成含目标化合物金属离子的 盐溶液，在适当的条件(酸度、浓度、温 度等)下，选择适宜的共沉淀剂反应形成 不溶物，沉淀洗涤后，再经热处理制得 所需的金属氧化物或复合氧化物粉体。
通过添加不同的添加剂还能改善气体传感器的选 择性，在ZnO中添加Ag能提高对可燃性气体的灵 敏度，加入V2O5能使其对氟里昂更加敏感，加入 Ga2O3能提高对烷烃的灵敏度。
研究重点
（1）智能化
近年来采用薄膜技术和集成电路技术把 加热元件、温度传感器、叉指电极、气 体敏感膜集成在硅衬底上制成的传感器， 不仅灵敏度比常规多晶膜传感器高得多， 并且结构简单、制作方便，还可以根据 被测气体选择不同的敏感膜，使得该类 传感器成为很有发展前景的新型半导体 气体传感器。