甲醛气体传感器研究PPT

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甲醛气体传感器的研究导师:杨留方（教授）答辩人:和伟信专业:物理学（近代物理）研究背景

甲醛是一种原生质毒物，会对人的皮肤、呼吸道及内脏造成损害，麻醉人中枢神经，引起肺水肿、肝昏迷、肾衰竭等，对人的伤害极大。甲醛还具有很强的潜伏性，不易被察觉。而室内的甲醛主要来源于装修材料，如：合板、细木板、纤维板、刨花板、贴墙布、贴墙纸、油漆、涂料管、家具、化纤地毯和泡沫塑料等等。因此，我们时时刻刻生活在危险之中。为保证我们自身的健康，做甲醛检测已成为现在入住新居的一项必不可少的程序。目前检测甲醛的方法有很多种，有分光度法、电化学法、色谱法和传感器法，相较之下传感器法具有成本低，操作简单，易于测试和便于更换的特点，可普及到日常生活中。论文框架*一、甲醛传感器结构、材料和敏感机理*二、金属氧化物甲醛气体传感器*三、ZnO中掺杂La2O3甲醛气体传感器的性能研究*四、结束语一、甲醛传感器结构、材料和敏感机理*1、结构*2、材料*3、敏感机理*4、开发现状(一)甲醛气体传感器的结构1、构造：由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。其中敏感元件是用来感受甲醛气体的元件，是传感器的核心元件。转换元件是将甲醛信号按一定规律转化成可用输出电信号的元件。为转化元件提供电能并将输出的电信号转化成光信号、声音信号或数字显示信号的部分称作测量电路。2、核心部件——敏感元件（1）种类很多按材料物态可分为干式和湿式两大类：干式气体传感器构成气体传感器的材料是固体，有接触燃烧式、半导体式、固体电解质式、红外线吸收式、导热率变化式。湿式气体传感器是利用水溶液或者电解液来感知待测气体，有极谱式和原电池式（2）半导体式甲醛气敏传感器从组装结构上看，半导体式甲醛气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。从制造工艺上看，半导体式气体传感器可分为烧结型、薄膜型、厚膜型和多层结构型四类。（3）烧结型气敏器件以金属氧化物半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入金属氧化物半导体材料中，经加温、加压，利用700～900℃的制陶工艺烧结成形。（4）两种烧结型气敏元件根据加热方式，烧结型气敏元件可分为直接加热式（内热式）和旁热式两种。内热式：测量电路与加热电路是同一回路。热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰。旁热式：测量电路与加热电路不是同一回路。热容量大、稳定性好，测量电路与加热电路间不相互干扰。以SnO2为例：内热式气敏元件的结构和符号以SnO2为例：旁热式气敏元件的结构和符号（二）甲醛气体传感器的材料1、半导体气敏材料：某些半导体材料在于某些气体接触后，电阻率发生变化，导致电阻发生变化，这样的半导体我们称之为半导体气敏材料。2、气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。3、对甲醛气体敏感的金属半导体材料：SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等4、分类按构成甲醛气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类。半导体甲醛气敏传感器又按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在内部再分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质：又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体甲醛气敏元件是利用半导体接触甲醛气体时，其阻值的改变来检测甲醛气体的成分或浓度；非电阻型半导体甲醛气敏元件是根据对甲醛气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对甲醛气体进行直接间接检测。（三）甲醛气敏传感器的敏感机理半导体材料有多电子的N型半导体和多空穴的P型半导体两种，甲醛是还原性气体。当甲醛吸附到N型半导体表面时，与材料发生氧化还原反应，由于甲醛是还原性气体，在反应中提供电子，N型半导体的载流子是电子，得到甲醛提供的电子后，载流子数目增多，相当于材料的电阻减小。当甲醛吸附到P型半导体表面时，同样在材料表面发生氧化还原反应，甲醛依然提供电子，但P型半导体的载流子是带正电的空穴，很多空穴和甲醛提供的电子中和，导致半导体材料的载流子数目减少，相当于使材料的电阻变大。半导体材料表面吸附甲醛后导致电阻变化，我们通过测量电路测定半导体材料的阻值变化引发的电路中电压和电流的变化来衡量甲醛气体的各项指标，这便是甲醛气敏传感器的敏感机理。下图为N型甲醛气敏元件对甲醛气体的敏感原理图。（四）甲醛气敏传感器的研究现状1、压电类甲醛气敏传感器早已已制备成功，但容易受到水分子的影响而使晶体振动频率发生漂移，没有实用性。2、比色分析法和电化学原理甲醛气敏传感器也研制成功，但设计复杂、选材极多并要求很高，离普遍使用的要求尚有较大差距。3、金属氧化物半导体是普通且廉价的气敏材料，是甲醛气体传感器研究的重点方向。二、金属氧化物甲醛气体传感器*1、SnO2甲醛气敏元件*2、ZnO甲醛气敏元件*3、

Fe2O3甲醛气敏元件*4、

掺杂对甲醛气敏元件气敏特性的改善（1）ZnO-La2O3共掺杂对SnO2甲醛气敏元件气敏性能的改善（2）ZnO中掺杂La2O3对甲醛气敏元件气敏性能的改善金属氧化物甲醛气敏传感器气体传感器的核心部件是传感器元件中的气体敏感材料。自从发现CuO的电阻随水汽的吸附而改变后，人们便开始关注半导体金属氧化物作为气敏材料。至今，人们已发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO等都具有气敏效应，经研究得出：SnO2、ZnO、Fe2O3是气体传感器的三大基系材料。因此，我们可以用这三大基系材料制造甲醛气敏传感器。（一）SnO2甲醛气敏元件SnO2是一种N型半导体，空气中的氧被吸附在气敏元件上，形成高阻状态。若遇到还原性气体时，还原性气体与已经吸附的氧反应，使氧脱离吸附表面，从而使接触部分的势垒下降，粒子间能移动的电子数增加，元件的电导率增大。

SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。（二）ZnO甲醛气敏元件ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。ZnO气敏元件对甲醛气体的敏感机理和SnO2一样。只是ZnO甲醛气敏元件对对异丁烷、丙烷、乙烷、氢气、一氧化碳、甲烷等还原性气体的灵敏度比甲醛更高。（三）Fe2O3甲醛气敏元件Fe2O3是属于N型金属氧化物半导体，当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用，其电阻串迅速降低（机理与上述两种一样）。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。（四）掺杂对甲醛气敏元件气敏特性的改善在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以增强材料对气体种类的选择性。例如SnO2基体中掺杂铂金属时，则氢和氧在铂表面原子上吸附和分解，形成吸附氧Oads或吸附氢Hads

。2Pt+O2→2Pt+Oads2Pt+H2→2Pt+Hads分解后的氧和氢流到半导体的表面，发生下列反应：Oads+e-→Oads-

2Hads+Oads→H2Oads+e-可见，铂起到了催化加速氧和氢的分解。1、ZnO-La2O3共掺杂对SnO2甲醛气敏元件气敏性能的改善选用WO3，ZnO，ThO2，La2O3等作为掺杂剂对溶胶-凝胶法制备的SnO2材料进行掺杂，并测试其甲醛气敏性能。结果表明：ZnO,La2O3的掺杂提高了SnO2对甲醛的气敏性。元件的灵敏度随着ZnO的含量的增加而升高，但相差不是很大。但是ZnO的增加使SnO2元件对乙醇的灵敏度升高，即乙醇的干扰增强，因此制备元件时ZnO的含量不宜太大。当La2O3含量增加时，元件对甲醛气体的灵敏度随之升高。同时掺入La2O3和ZnO时，元件对甲醛气体灵敏度比单一掺杂都高。元件对甲醛的灵敏度随着甲醛浓度的增加而增加，在一定范围内对甲醛有很高的灵敏度，而对乙酸、丙酮、乙醚和甲苯等干扰气体的灵敏度很低。在最佳工作温度下，元件对甲醛具有较好的响应-恢复特性。因此，ZnO-La2O3共掺杂的SnO2传感器对甲醛具有较好的选择性和灵敏度。2、ZnO中掺杂La2O3对甲醛气敏元件气敏性能的改善

ZnO-La2O3共掺杂SnO2所用材料较多，配比复杂，我们在选材时，在能达到目的的前提下，我们最好是选材越少越好。实验表明：氧化锌中掺杂一定比例的La2O3同样能实现元件对甲醛气体的选择性，同时灵敏度也很高。这样，元件既对甲醛气体敏感，又提高了选择性，同时还节省材料和工作量。所以，ZnO中掺杂La2O3有望开发成一款新型甲醛气敏传感器。三、ZnO中掺杂La2O3甲醛气体传感器的性能研究

*1、ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器的制备*2、ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器的性能（1）工作温度对元件灵敏度的影响（2）烧结温度对元件灵敏度的影响（3）甲醛浓度对元件灵敏度的影响（4）元件对甲醛气体的选择性（5）元件响应—恢复曲线（一）ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器的制备实验采用二水合醋酸锌和乙二醇为原料，以溶胶—凝胶法制备了ZnO纳米颗粒。先让二水合醋酸锌完全溶解于乙二醇中，使用大功率的超声辅助离子分散而得到澄清的溶液。在澄清溶液中加入草酸作为催化剂并继续使用超声，使得溶液变得粘稠，颜色变为乳白色，也就是形成了聚合物的凝胶。用离子水离心清洗凝胶后，将凝胶置于烘箱中以90摄氏度的恒温蒸发脱水，得到白色粉末状前驱体，将前驱体研磨精细后在马弗炉中以500摄氏度的温度烧结，在室温下冷却，得到ZnO粉体。将合成的氧化锌纳米材料制成浆料，涂敷在已制有金电极和铂引线的陶瓷管上，经烘干后在高温炉中煅烧2—3小时，再将烧好的管芯配上加热丝焊接在底座上，制备出旁热式气敏元件。（二）ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器性能的研究1、工作温度对元件灵敏度的影响在制备元件时，选择不同La2O3的量来进行掺杂，本人所选的La2O3的质量分数为：0.05%、0.1%、0.15%、0.25%、0.5%、0.65%的比例来掺杂。按这些比例掺杂后用500摄氏度的烧结温度烧制成元件。在甲醛的体积分数为50ppm时，通过改变工作电压来改变工作温度来研究元件的性能。实验结果表明：在工作温度为210摄氏度（对应工作电压为3.7V）时，所有元件的灵敏度都达到了峰值，即210摄氏度（3.7V的工作电压）为这些元件的最佳工作温度。虽然在210摄氏度时所有元件都达到了峰值，但是每类元件的峰值不同，掺杂0.1%的La2O3的气敏元件的峰值最大，如图。所以掺杂0.1%的La2O3的气敏元件对甲醛气体最敏感。2、烧结温度对元件灵敏度的影响选取掺杂0.05%La2O3的元件，分别在300摄氏度、400摄氏度、500摄氏度、600摄氏度下煅烧2小时。通过对50ppm的甲醛气体的检测，结果表明：在温度为500摄氏度时，元件的灵敏度达到峰值，如图。可见，在离散型取值的情况下，可认为500摄氏度是元件对甲醛气敏灵敏度最高的烧结温度。3、甲醛浓度对元件的灵敏度的影响选取烧结温度为500摄氏度、工作温度为210摄氏度、掺杂0.1%La2O3的元件，慢慢增加甲醛气体的浓度，发现元件的灵敏度不断的增加，如图。由此可知；随着气体浓度的增加，元件灵敏度不断提高。4、元件对甲醛气体的选择性掺杂0.1%La2O3并用500摄氏度烧结而成气敏元件，在210摄氏度的工作温度下，对同等浓度的二氧化碳、氨气、N2O5和甲醛的灵敏度，最大的是对甲醛的灵敏度，如图。可见，La2O3掺杂使得ZnO元件对甲醛的选择性大幅度提高。5、元件的响应—恢复曲线实验测定了环境温度为25摄氏度，环境湿度为46%RH时，工作温度为220摄氏度，掺杂0.1%La2O3元件对50ppm甲醛气体的响应—恢复曲线。定义响应时间为元件接触被测气体后，负载电阻上的电压由U0变