第41卷第5期人工晶体学报Vol．41No．5 2012年10月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS October，2012
乙醇气体的浓度对氧化锌纳米棒气敏元件
电学性能的影响
周小岩，黄柳宾，李传勇，刘晓龙
（中国石油大学（华东）理学院，青岛266580）
摘要：以硝酸锌和氢氧化钠为原料，采用水热合成技术制备了ZnO纳米棒。通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）对所合成样品的晶体结构及形貌进行了表征。然后将制备的ZnO纳米粉体压制成气敏元件，研究了气敏元件在空气和不同浓度的乙醇气体中直流电阻、交流电容和阻抗的变化。结果表明，元件在室温（23?）下从空气转移到20ppm的乙醇气体中，其直流电阻减小68%。在低频段（＜104Hz）的交流电容是随着乙醇浓度的增加而增加，阻抗随乙醇浓度的增大而减小；高频段（104Hz至106Hz）交流电容和阻抗变化很小，基本不受乙醇浓度的影响。当频率为100Hz时，交流电容和阻抗随乙醇浓度的变化最大，交流电容增大98%，阻抗减小33%。
关键词：氧化锌纳米棒；气敏性能；电容；阻抗
中图分类号：O611．62，O614．24文献标识码：A文章编号：1000-985X（2012）05-1313-05 Effect of Ethanol Gas Concentration on Electrical Properties of
Gas Sensor Based on ZnO Nanorods
ZHOU Xiao-yan，HUANG Liu-bin，LI Chuan-yong，LIU Xiao-long
（College of Science，China University of Petroleum，Qingdao266580，China）
（Received16April2012，accepted2July2012）
Abstract：Zn（NO
3）
2
and NaOH were used as the raw material to prepare ZnO nanorods through a
hydrothermal technique．The crystal quality and morphology of the prepared ZnO nanorods were characterized by X-ray diffraction（XRD）and field emission scanning electron microscope（FESEM）．Gas sensors were made by tabletting the ZnO nanorods and their gas sensitivities were measured．The electrical resistance，capacitance and impedance of the sensor were investigated at room temperature（23?）when exposed to air and ethanol gas of different concentrations．When the sensor was transferred from air to20ppm ethanol in air the electrical resistance decreased by68%．At low frequency（＜104 Hz），capacitance increases with the increase in ethanol concentration，while impedance decrease with increase．At high frequency ranging from104Hz to106Hz，capacitance and impedance changes of the sensor are negligible．A large capacitance and impedance changes can be obtained at100Hz，the capacitance increased by98%and the impedance decreased by33%．
Key words：ZnO nanorods；gas sensing properties；capacitance；impedance
收稿日期：2012-04-16；修订日期：2012-07-02
基金项目：山东省自然科学基金（ZR2011AL023）；中国石油大学（华东）校自主创新项目（11CX0406A）；大学生创新训练计划（20121165）作者简介：周小岩（1977-），女，山东省人，博士，讲师。E-mail：zhouxiaoyan@upc．edu．cn
通讯作者：黄柳宾，教授。E-mail：huangliubin@upc．edu．cn
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1引言
常见的半导体气体传感器有SnO2，ZnO，In2O3，Fe2O3等金属氧化物，其中ZnO是研究最早、应用最广的半导体气敏材料之一［1-3］。目前研究较广的ZnO气敏材料大多为薄膜或厚膜结构［4-8］，但由于比表面积小、工作温度高而限制了其气敏性能提高。ZnO纳米棒（线）等一维材料具有更高的比表面积，更强的表面效应可以吸附大量的气体，大大提高了灵敏度，并且工作温度显著降低，降低了能耗，所以对其气敏性能的研究具有非常重要的意义。王太宏小组［9］首次报道了ZnO纳米线对乙醇气体的敏感性能。该传感器在300?对1 ppm乙醇气体的灵敏度为1．9，对200ppm乙醇气体的灵敏度可达47（空气中与被测气体中的电阻比值），其灵敏度远高于ZnO薄膜传感器。Wang等［10］的研究结果显示，采用水热法制备的ZnO纳米棒阵列在室温下对氢气就有明显的响应，在250?时灵敏度达到最大值，探测极限为20ppm。Li等采用湿化学方法在室温条件下制备了直径为15nm的ZnO纳米棒，它对100ppm的乙醇气体灵敏度达到29．7［11］。目前众多研究者都报道了一维纳米ZnO对乙醇气体的敏感性能，但大多数测试的是纳米ZnO气敏元件的电阻在不同浓度的乙醇气体中的变化而忽视了其它电学参量的变化（交流电容、阻抗等）［9，11-15］。本文通过水热合成技术制备了ZnO纳米棒并通过压片和背电极的方法将其组装成气敏元件，研究了元件置于空气和不同浓度的乙醇气体中其电学参量（直流电阻、交流电容和阻抗）的变化。
2实验
2．1试剂与仪器
六水合硝酸锌（Zn（NO3）2·6H2O，分析纯），氢氧化钠（NaOH，分析纯），国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇（CH3CH2OH，分析纯），天津化工试剂有限公司；去离子水。
聚四氟乙烯内衬的水热反应釜（河南杜甫仪器厂），85-2型恒温磁力搅拌器（上海维城仪器有限公司），GZX-9023鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司），L-530离心机（湖南湘仪离心机仪器有限公司）。
2．2气敏材料的制备
称量2．08g的Zn（NO3）2·6H2O，将其溶解于140mL的去离子水中，在低速磁力搅拌下，滴加4mol/L 的NaOH溶液20mL，磁力搅拌30min后，得到均匀的白色混浊液。然后将该混浊液全部转入到200mL不锈钢反应釜的聚四氟乙烯内胆中，填充度为80%，将反应釜封紧后放入鼓风干燥箱中，在120?下恒温反应12h，之后自然冷却至室温，将所得到的白色沉淀物用去离子水和无水乙醇反复洗涤，离心分离数次后，放入鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度60?，最后得到均匀、稳定的白色固体粉末。
2．3微结构表征
采用荷兰帕纳科公司的X＇Pert PRO MPD型转靶全自动X射线衍射仪，进行晶相分析，Cu靶K射线，波长0．15406nm，工作电压40kV，工作电流40mA，扫描速度2?/min。样品的微观形貌采用日本日立公司的S-4800型冷场发射扫描电子显微镜（分辨率：15kV?1．0nm；1kV?2．0nm，放大倍数：30-800，000）来观察。2．4电学性能的测量方法
首先将制备的ZnO纳米棒粉体装入钢制模具中，通过压片机压片，将粉体压成直径13mm，厚度3mm 左右的圆片，给粉体施加的压强为2MPa，保压时间为5min。然后在圆片的中心上下两面涂上进口高纯Ag 胶作为电极，电极面积0．5cm2，粘上前端去掉绝缘漆的Cu导线，见图1所示。通过Keithley 2400SourceMeter和TH2828precision LCR meter构成的测试单元（Measurement unit）反复测量样品在空气和乙醇气氛下的直流电阻、交流电容和阻抗。
3结果与讨论
3．1样品的微结构分析
图2是ZnO纳米棒的XRD谱图。图中各个衍射峰对应的衍射角2θ的值从小到大分别是：31．77?、34．
第5期周小岩等：乙醇气体的浓度对氧化锌纳米棒气敏元件电学性能的影响1315图1测量ZnO 纳米棒气敏元件电学性质的示意图Fig．1The schematic illustration of the electrical measurement of gas sensor based on ZnO nanorods
42?、36．25?、47．53?、56．68?、62．82?、66．35?、67．93?和
69．05?，其对应的晶面分别为（100）、
（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）和（201），这和标
准ZnO 六方晶体的谱图（JCPDS NO．36-
1451）完全一致。结果表明，制备的样品为六方纤锌矿结构，同时各
晶面衍射峰较为尖锐，衍射锋的强度较高，表明样品的
结晶性好。此外，在XRD 图中未发现Zn （OH ）2、
Na 2O 和Na 2O 2等杂质衍射峰，说明制备的样品纯度较高。
图3是ZnO 的SEM 图像，从图中可以看出，产物
的形貌为菊花状，它是由许多个纳米棒自组装形成的
结构，其中大多数纳米棒紧密地由中心部位向外呈现
放射状形态生长，少数纳米棒随机散落在花状结构中。
纳米棒的直径范围是120 200nm ，长度可达2 3μm
。图2
ZnO 纳米棒的X 射线衍射谱图Fig．2XRD patterns of the ZnO
nanorods 图3ZnO 纳米棒的扫描电镜照片Fig．3SEM images of the ZnO nanorods
3．2气敏性能测试与分析
采用静态配气法，测试了元件在空气和5ppm 、10ppm 、15ppm 、20ppm 乙醇气体中的直流电阻、交流电
容和阻抗。
3．2．1
直流电阻
图4（a ）ZnO 纳米棒气敏元件在空气和不同浓度的乙醇气体中的I-V 特性；（b ）元件电阻与乙醇浓度的关系曲线
Fig．4（a ）I-V characteristics of ZnO nanorods sensor to ethanol gas with different concentrations ；
（b ）Electrical resistance vs．ethanol gas concentration
图4（a ）是元件在空气和不同浓度的乙醇气体中的电流-电压（I -
V ）特性。如图所示，I -V 特性曲线基本为线性，说明银电极同ZnO 纳米棒的接触是欧姆接触，这很好地保证了测量的准确性和重复性。ZnO 的电
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子亲和势为4．5eV［16］，Ag的功函数为4．2eV，ZnO同Ag的接触是欧姆接触［17］。图4（b）是气敏元件电阻与乙醇浓度的关系曲线。可以看出气敏元件的电阻随着乙醇浓度的增加而降低，在空气中为4．25?105Ω，在20ppm的乙醇气体中为1．37?105Ω，即元件的直流电阻减小68%。
3．2．2交流电容
图5（a）是元件在不同浓度的乙醇气体中其电容与频率的关系。如图所示，低频段（＜104Hz）的电容是随着乙醇浓度的增加而增加；高频段（104Hz至106Hz）的电容变化很小，基本不受乙醇浓度的影响。图5（b）是元件不同频率的电容与乙醇浓度的关系曲线。频率为100Hz时电容随乙醇浓度的变化最大，在空气中是822pF，在20ppm的乙醇气体中是1624pF，即电容增大98%。在低频段，吸附在ZnO纳米棒表面的乙醇分子被极化，增加了纳米棒的介电常数，从而电容增大。在高频段，乙醇分子的偶极矩因为跟不上高频电场的变化而不能被极化，因此电容基本不发生变化。
图5（a）ZnO纳米棒气敏元件在不同浓度的乙醇气体中其电容与频率的关系；
（b）元件在不同频率下其电容与乙醇浓度的关系
Fig．5（a）Capacitance-frequency characteristics of the ZnO nanorod sensor in ethanol gas with different concentrations；
（b）Capacitance vs．ethanol gas with different concentrations at given frequencies
3．2．3阻抗谱
图6（a）是ZnO纳米棒气敏元件在不同浓度的乙醇气体中的交流阻抗谱，测量频率范围100Hz至1 MHz。阻抗谱形状类似一个半椭圆，在空气中最大，在20ppm乙醇气体中最小。图6（b）是元件在给定频率下其阻抗（6（a）中的交流阻抗实部和虚部的平方和开平方）与乙醇浓度的关系，低频段（＜104Hz）的阻抗随乙醇浓度的增大而减小；高频段（104Hz至106Hz）的阻抗不依赖于乙醇浓度，基本不发生变化。当频率为100Hz时，阻抗随乙醇浓度的变化最大，在空气中是2．24?105Ω，在20ppm乙醇气体中是1．50?105Ω，即阻抗减小33%。
图6（a）ZnO纳米棒气敏元件在不同浓度的乙醇气体中的阻抗谱；（b）元件在不同频率下其阻抗与乙醇浓度的关系Fig．6（a）The complex impedance plot of the ZnO nanorod sensor in ethanol gas with different concentrations；
（b）Impedance vs．ethanol gas concentration at given frequencies
第5期周小岩等：乙醇气体的浓度对氧化锌纳米棒气敏元件电学性能的影响1317
4结论
本文采用水热合成法制备了分散性较好的ZnO纳米棒，通过XRD和FESEM对其结构和形貌进行了表征。将具有高比表面积的ZnO纳米棒通过压片和背电极的方法组装成气敏元件，考察了元件在空气和不同浓度的乙醇气体中直流电阻、交流电容和阻抗的变化。元件的直流电阻随着乙醇浓度的增大而减小；低频段的交流电容随着乙醇浓度的增大而增大，并且电容与乙醇浓度的关系基本呈线性；低频段的交流阻抗随着乙醇浓度的增大而减小；高频段的交流电容和阻抗不依赖于乙醇浓度，变化很小。元件在室温（23?）100Hz的频率下，从空气中转移到20ppm乙醇气体中时，其直流电阻减小68%，交流电容增大98%，阻抗减小33%。
参考文献
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石墨烯气敏性能的研究进展 张焕林１，李芳芳２，刘柯钊１ （１ 表面物理与化学重点实验室，绵阳６２１９０７；２ 中国工程物理研究院，绵阳６２１９００ ）摘要 石墨烯因具有高的电子迁移率和超大的比表面积而有望成为新一代的气敏材料，近年来有关石墨烯气体传感器的研究工作逐年增加。概述了石墨烯的结构和特性；介绍了典型石墨烯气体传感器的工作原理；综述了本征和功能化石墨烯的多种气体气敏特性在理论和实验上的研究现状。 关键词 石墨烯 本征石墨烯 改性石墨烯 气敏特性 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＧｒａｐｈｅｎｅＺＨＡＮＧ Ｈｕａｎｌｉｎ１，ＬＩ Ｆａｎｇｆａｎｇ２， ＬＩＵ Ｋｅｚｈａｏ１ （１ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９０７；２ Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｅｘｃｅｐｔｉｏｎａｌｌｙ ｈｉｇｈ ｃａｒｒｉｅｒ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｌａｒｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｏ－ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ，ｇｒａ－ｐｈｅｎｅ ｉｓ ｔｈｏｕｇｈｔ ｔｏ ｂｅ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｎｇ．Ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ａｒｔｉｃｌｅｓａｂｏｕｔ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉ－ｐｌｅ ｏｆ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｗｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔａｔｕｓ ｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｔｏ ｖａｒｉｏｕｓ ｇａｓｅｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｇａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ 张焕林：女，硕士研究生，从事碳材料的功能化研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ ｈｌ０６＠１２６．ｃｏｍ０ 引言 石墨烯是除了石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管之外碳元素的又一种同素异形体。它是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构， 是构成其他维数材料的基本结构单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆 垛成三维的石墨［１］ 。２００４年英国曼彻斯特大学的物理学教授Ｇｅｉｍ的研究组［２］ 用高度定向的热解石墨（ＨＯＰＧ） 首次获得了独立存在的高质量的石墨烯， 并对其电学性能进行了系统表征。研究发现石墨烯存在双极性电场效应，具有极大的载流子浓度、超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹性输运等特性。这些优异的性能引起了物理学、 材料学、化学等科研领域的广泛关注，掀起了继富勒烯和碳纳米管后的又一次碳材料研究热潮。石墨烯的发现者Ｇｅｉｍ教授和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ 博士也因此被授予２０１０年度诺贝尔物理学奖。 ２００７年Ｓｃｈｅｄｉｎ等［３］ 首先发现， 用石墨烯制备的传感器可以检测到单个分子在石墨烯表面的吸附和解吸附行为，这 引起了科学界的极大关注。研究者们随后研究了微机械剥离、化学剥离和化学气相沉积等方法制备的石墨烯的气敏特性，发现本征石墨烯只对ＮＯ２、ＮＨ３等少数气体有较高的灵敏度。于是理论研究者纷纷开始了本征、掺杂和缺陷石墨烯与气体吸附作用机制的研究，发现具有一定缺陷或掺杂的石墨烯对特定的气体有较强的吸附。在理论研究的指导下，最近研究者对石墨烯进行了有目的地掺杂和功能化研究以提 高石墨烯对特定气体的选择性和灵敏度。本文着重介绍本征石墨烯的气敏特性、对气体分子的吸附作用，以及功能化石墨烯对氢气的响应特性。 １ 石墨烯的结构和特性 石墨烯是由ｓｐ２ 杂化的碳原子紧密排列构成的二维六角 结构的单层石墨，每个碳原子通过σ键与相邻的３个碳原子连接，这些强Ｃ－Ｃ键的网状结构使石墨烯片层具有优异的结构刚性。每个碳原子都有１个未成键的电子， 这些电子在与原子平面垂直的方向上形成的离域π轨道上自由运动，赋予 石墨烯良好的导电性［４］。石墨烯ｓｐ２ 杂化的碳碳键的长度为０．１４２ｎｍ［５］，单原子层的理论厚度为０．３４ｎｍ［６］ 。图１为石墨 烯的能带结构和布里渊区图［７］ ，价带和导带在费米能级的６ 个顶点上相交，由此表明石墨烯是一种零带隙的物质，具有 金属性。石墨烯中电子的典型传导速率为８×１０５ ｍ·ｓ －１，接近光在真空中传播速度的１／４００ ，比一般半导体的电子传导速率大得多［８］ 。除此之外，当石墨烯被裁剪为宽度小于 １０ｎｍ的纳米条带时会产生一定的带隙， 这种半导体石墨烯在晶体管中有较大的潜在应用价值［ ９］ 。目前已证实的石墨烯的优异的物理性质包括：室温下高 的电子迁移率（１５０００ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１）［２，１０］ ；优异的热导率（约５０００Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）［１１］ ，是Ｃｕ热导率的１０倍多；超高的力学性能，破坏强度为４２Ｎ／ｍ，杨氏模量为１．０ＴＰａ［１ ２］ ；超大的比表面积，理论值为２６３０ｍ ２·ｇ－１［１３］；几乎完全透明，光透· ９３·石墨烯气敏性能的研究进展／张焕林等
SnO2材料气敏性能研究进展 1.气体传感器的定义与研究意义 气体传感器是传感器领域的一个重要分支，是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等使用的信息的装置。它主要用来检测气体的种类和浓度，对接触气体产生响应并转化成电信号从而达到对气体进行定量或半定量检测报警的目的。气体传感器现已在人类的生产生活中得到了广泛的应用，在民用方面，主要是检测天然气、煤气的泄露，二氧化碳气体含量、烟雾杂质和某些难闻的气味及火灾发生等；在工业方面，主要是检测硫化物、氮氧化物、CH4、CO、CO2及Cl2等有毒或有害的气体，检测有机溶剂和磷烷、砷烷等剧毒气体，检测电力变压器油变质而产生的氢气，检测食品的新鲜度，检测空燃比或废气中的氧气的含量以及检测驾驶员呼气中酒精含量等；在农业生产上，主要是检测温度和湿度、CO2，土壤干燥度、土壤养分和光照度。因此，气敏传感器的研究具有非常重要的意义。 2.气体传感器的分类 按基体材料的不同，气敏传感器还可分为固体电解质气体传感器、有机高分子半导体传感器，金属氧化物半导体气体传感器；按被检测的气体不同，气敏传感器可分为酒敏器件、氢敏器件、氧敏器件等。固体电解质气体传感器使用固体电解质做气敏材料，主要是通过测量气敏材料通过气体时形成的电动势而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用。高分子气敏传感器通过测量气敏材料吸收气体后的电阻、电动势、声波在材料表面传播速度或频率以及重量的变化来测量气体浓度。高分子气体传感器具有许多的优点，如对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。金属氧化物半导体气体传感器是一类研究时间较长、应用前景较好的传感器，它主要根据材料表面接触气体后电阻发生变化的原理来检测气体。因为金属氧化物半导体中多数载流子的不同而分为P型和N型。N 型半导体材料中，主要是晶格内部存在氧离子的缺位或阳离子的填隙，此类材料主要包括SnO、ZnO、In2O3、a-Fe2O3、WO3、ZnFe2O4、CdO和TiO2等。在P
实验？？气敏材料性能检测 一、实验目的 1.了解气敏材料性能的测试方法 2.了解气敏材料测试仪的基本操作方法 二、概述 气体传感器属于化学传感器，它是利用传感器与被测气体进行化学反应，并把反应结果转换成电信号再加以检测。气体传感器种类繁多，分类方式也不少。可以按照使用的材料来分．如半导体气体传感器，固体解质气体传感器等。气体传感器中最核心、最重要的部件就是传感元件中的气体敏感材料，气体敏感材料对特种气体的灵敏度和选择性以及稳定性等等性能的好坏是这种气体传感器优劣的标志，所以气敏材料的研究是科技工作者的研究重点。 一种良好的气体传感器需要在以下几个方面体现其优越性，这几种主要参数特性如下： (1)灵敏度：气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标,它是气敏传感器的一个重要参数。灵敏度表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系，一般采用电阻比（或电压比）来表示灵敏度S：S=Ra / Rg = Vg / Va (对n型半导体) S=Rg / Ra = Va / Vg (对p型半导体) (其中Ra表示电阻型气敏元件在洁净空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值, Rg表示在被测气体中的电阻值称为实测电阻值) (2)响应时间与恢复时间：气敏元件的响应时间表示在工作温度下、气敏元件对被测气体的响应速度，一般指气敏元件与一定浓度被测气体开始接触时，到气敏元件电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%所需的时间。一般用符号t res表示。而恢复时间表示在工作温度下，被测气体从该元件上解吸的速度。一般从气敏元件脱离被测气体开始计时，直到其电阻变化值达到[Ra – Rg]值的80%为止，所需的时间称为恢复时间。通常用符号t rec表示。 (3)选择性：在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力称为选择性。对某种气体的选择性好就表示气敏元件对它有较高的灵敏度。选择性是气敏元件的重要参数。
碳纳米管及其传感效应 什么是碳纳米管? 1991年，日本电气公司教授S.lijima[1] 发现了碳纳米管，这种碳纳米管是90 年代发现的碳家族中第五种同素异形体，由自然界最强的C - C共价键结合而成。碳纳米管的结构可看成是由石墨烯卷成的圆筒，碳原子在其表面呈螺旋状排列，特殊情况下可呈扶手椅和锯齿状。根据壁的层数，它可分为单壁和多壁两种；同时，根据特性矢量（n，m ，它又分为金属性和半导体性两种：当n-m为3的整数倍时，其为金属性，其余情况下则为半导体性[2]。因为特有的力学、电子、化学性质以及准一维管状分子结构和潜在应用价值，碳纳米管已成为化学界的一颗新星，引起了物理学家、化学家、材料学家极大的兴趣，各国皆投入了大量的人力、物力对它的性质、制备、应用进行了一系列的研究，并取得了可喜的成果。 碳纳米管气体传感器 纳米碳管具有中空结构和大的壁表面积，对气体具有很大的吸附能力。由于吸附的气体分子与碳纳米管相互作用，因而改变了它的费米能级的变化，进而引起宏观电阻发生较大改变，通过对电阻变化的测定即可检测气体的成分，因此，碳纳米管可用来制作气体分子传感器。当前，J.Kong等人[3]已成功地研究了单根单壁半导体碳纳米管的气敏特性，为一维碳纳米管作为敏感材料构成气敏传感器的研究打开了大门。 碳纳米管有望用做生物传感器（图）
作者：Richard Comerford 日期：2005-4-1 来源：本网 字符大小：【大】 【中】［小］ 伊利诺斯大学（位于美国伊利诺斯州乌尔班纳-香巴尼）和斯坦福大学（位于美国加 利福尼亚州）科研人员的研究结果表明：利用碳纳米管来进行生物测定的应用正在 取得快速进展。近期的实例之一就是采用纳米管来监测血液中的葡萄糖水平，这使 得糖尿病人无须通过手指采血便能够检查自己的血糖水平。 ---该研究小组开发出了对过氧化氢敏感的纳米管，当它与葡萄糖接触时，将产生数 量可变的过氧化氢。过氧化氢会使纳米管的光学性质发生变化，因此，产生的过氧 化氢越多，则纳米管在暴露于近红外激光下时所发出的荧光就越强。 0.3 mm * semi-permeab!e * membrane d-glucose carbon nanotube / \ (iLC.L&^^asse mb I ed \ protein monolayer ---研究人员称这有可能导致人们将含有交变纳米管（altered nanotube ）的小型多 孔毛细管移植到糖尿病人的皮肤下。这样，糖尿病人便可以利用具有激光指示的设 备来测量荧光强度，以定期检查自己的血糖水平 一一他们将不必抽血取样（这种 做法日积月累会令病人感到异常疼痛）。 ---此前，斯坦福大学的研究人员已经开发出了采用聚环氧乙烷链进行处理并有选择 性地针对特定蛋白质的碳纳米管。它们能够检测出与全身红斑狼疮及混合型结缔组 织疾病有关的抗原。 near-IR 匚? emission cap near-IR excitation
2.3 气敏、湿敏电阻传感器 2.3.1气敏电阻 在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测 和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情 况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将 检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。 1.气敏电阻的工作原理及其特性 气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变 化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。 以SnO2气敏元件为例，它是由0.1～10μm的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导 体而工作的。在正常情况下，是处于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子 的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导 率增加。而对于P型半导体来说，它的晶格是阳离子缺位 状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。 气敏电阻的温度特性如图2.26所示，图中纵坐标为 灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的值 号电压。由曲线可以看出，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。此外，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获得低温时的灵敏度，也可增强对 图2.26 气敏电阻灵敏度与温度的关系气体种类的选择性。 2.常用的气敏电阻 气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种，直热式消耗功率大，稳定性较差，故应用逐渐减少。旁热式性能稳定，消耗功率小，其结构上往往加有封压双层的不锈钢丝网 防爆，因此安全可靠，其应用面较广。 （1）氧化锌系气敏电阻 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。通过掺杂而获得 不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。ZnO气敏电阻的结构如图2.27所示。这种气敏 元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而 制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必 须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过对颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2 纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结 型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO 气体。
MC115 催化燃烧式气敏元件 MC115型气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。 特点 桥路输出电压呈线性 响应速度快 具有良好的重复性、选择性 元件工作稳定、可靠 抗H 2 S 中毒 应用 工业现场的天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。 可燃性气体泄漏报警器 可燃性气体探测器 气体浓度计 元件外形结构 基本测试电路 技术指标 电桥输出 测试电压： 3.0V
灵敏度特性及响应恢复特性 长期稳定性 在空气中每年漂移小于1个mV ，在1%CH 4中每年漂移小于2个mV 。短期储存（两周内）30分钟即可稳定，如长期储存（一年），则需老化5小时才可稳定。 注意事项 △元件的灵敏度要定期用标准气样校准。 △应尽量避免接触浓度为15%以上的可燃性气体。当偶然接触到高浓度的可燃性气体时, 应重新校准零点和灵敏度。 △在调试过程中, 应严格控制加热电压或电流, 不得超过4.8V 或220mA 以免烧毁元件。 △长期停止使用要放置在干燥、无腐蚀性气体的环境中。 △元件谨防振动、跌落及机械损伤。 使用元件前请详细参看本说明。 元件测试步骤 1、试验装置： a 、试验箱材料为金属或玻璃，不吸附气体，箱体积为每对元件大于1升。 b 、推荐红外气体分析仪测量气体浓度。 c 、箱内气体应搅拌，但不可直接对着元件。气流速度低于0.5m/s 。 d 、室外新鲜空气。 e 、直流稳压电源。毫伏表阻抗大于100K Ω。 f 、每次试验前，用排风扇换气，每分换气量大于10倍箱体积。 g 、元件安装在试验箱内，在水平方向，姿态相同。改变姿态将产生不同的热对流。 2、气体浓度调节： 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0 气氛中 长期稳定性 时间（月） 48 40 32 24 16 8 0 -8
碳纳米管及其传感效应 什么是碳纳米管？ 1991年，日本电气公司教授S.Iijima[1]发现了碳纳米管，这种碳纳米管是90年代发现的碳家族中第五种同素异形体，由自然界最强的Ｃ-Ｃ共价键结合而成。碳纳米管的结构可看成是由石墨烯卷成的圆筒，碳原子在其表面呈螺旋状排列，特殊情况下可呈扶手椅和锯齿状。根据壁的层数，它可分为单壁和多壁两种；同时，根据特性矢量（n，m），它又分为金属性和半导体性两种：当n-m为3的整数倍时，其为金属性，其余情况下则为半导体性[2]。因为特有的力学、电子、化学性质以及准一维管状分子结构和潜在应用价值，碳纳米管已成为化学界的一颗新星，引起了物理学家、化学家、材料学家极大的兴趣，各国皆投入了大量的人力、物力对它的性质、制备、应用进行了一系列的研究，并取得了可喜的成果。 碳纳米管气体传感器 纳米碳管具有中空结构和大的壁表面积，对气体具有很大的吸附能力。由于吸附的气体分子与碳纳米管相互作用，因而改变了它的费米能级的变化，进而引起宏观电阻发生较大改变，通过对电阻变化的测定即可检测气体的成分，因此，碳纳米管可用来制作气体分子传感器。当前，J.Kong等人[3]已成功地研究了单根单壁半导体碳纳米管的气敏特性，为一维碳纳米管作为敏感材料构成气敏传感器的研究打开了大门。 碳纳米管有望用做生物传感器(图)
作者：Richard Comerford 日期：2005-4-1 来源：本网 字符大小：【大】【中】【小】 伊利诺斯大学（位于美国伊利诺斯州乌尔班纳-香巴尼）和斯坦福大学（位于美国加利福尼亚州）科研人员的研究结果表明：利用碳纳米管来进行生物测定的应用正在取得快速进展。近期的实例之一就是采用纳米管来监测血液中的葡萄糖水平，这使得糖尿病人无须通过手指采血便能够检查自己的血糖水平。 该研究小组开发出了对过氧化氢敏感的纳米管，当它与葡萄糖接触时，将产生数量可变的过氧化氢。过氧化氢会使纳米管的光学性质发生变化，因此，产生的过氧化氢越多，则纳米管在暴露于近红外激光下时所发出的荧光就越强。 研究人员称这有可能导致人们将含有交变纳米管（altered nanotube）的小型多孔毛细管移植到糖尿病人的皮肤下。这样，糖尿病人便可以利用具有激光指示的设备来测量荧光强度，以定期检查自己的血糖水平——他们将不必抽血取样（这种做法日积月累会令病人感到异常疼痛）。 此前，斯坦福大学的研究人员已经开发出了采用聚环氧乙烷链进行处理并有选择性地针对特定蛋白质的碳纳米管。它们能够检测出与全身红斑狼疮及混合型结缔组织疾病有关的抗原。
QM-N5型气敏元件 QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N 型半导体气敏元 件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 特点： 1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等） 2、 灵敏度高 3、 响应速度快 4、 输出信号大 5、 寿命长，工作稳定可靠 2当元件接触还原性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高. ? 特点 用于可燃性气体的检测(CH 4,C 4H 10,H 2等) 灵敏度高 响应速度快 输出信号大 寿命长,工作稳定可靠 ? 技术指标 加热电压(V H ) AC 或DC 5±0.5V 回路电压(V C ) 最大DC 24V 负载电阻(R L ) 2K Ω 清洁空气中电阻(Ra) ≤4000K Ω 灵敏度(S=Ra/R dg ) ≥4(在1000ppmC 4H 10中) 响应时间(tres) ≤10S 恢复时间(trec) ≤30S 检测范围 50-10000ppm ? 基本测试电路
?使用方法及注意事项 ?元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟 后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理 解决. ?加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用 为佳. ?元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可 达到(V dg - Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C 4 H 10 30 秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(V dg - Va)差值的80%(即恢复时间). ?符号说明 检测气体中电阻- R dg 检测气体中电压- V dg R dg 与V dg 的关系: R d g=R L (V C /V dg -1) ?负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. ?使用条件:温度-15~35℃;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa ?环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使 用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. ?避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. ?元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用. ?使用元件前请详细参看本说明.
2 在生活领域，随着城市能源结构的调整与改变，城市煤气已经进入千家万户，并以其清洁、方便的特点得到迅速普及。但通常由于使用不当或使用器具不合格或其他因素造成煤气泄漏，使CO泄出后造成的人员中毒事故时有发生，燃煤及燃气热水器不充分燃烧时造成CO的聚集而导致居家人员中毒伤亡的事件也不少见；在工业领域，CO气体的生产、制造、应用等也需控制其浓度范围；在采矿行业，地下矿井的CO气体也需要检测报警。在环保方面汽车尾气中CO 的检测也被日益重视。因此，各种CO气体监测及预警装置正在得到越来越广泛的应用，CO 电化学气体传感器的研究也成为了热点。 3 在容器内的相对两壁，安置工作电极和对比电极，其内充满电解质溶液构成一密封结构，再在工作电极和对比电极之间加以恒定电位差而构成恒压电路。透过隔膜(多孔聚四氟乙烯膜)的CO气体，在工作电极上被氧化，而在对比电极上02被还原，于是CO被氧化而形成C02。在 工作电极与对比电极之间始终发生着这个氧化-还原的可逆反应，并在两个电极间产生了电位差。由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得电极间电位难以维持恒定，为了维持电极间电位的恒定，加入一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出信号所反应的是参比电极和工作电极之间的电位变化，由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此，它可以使电极间的电位维持恒定(即恒电位)，此时电位的变化就同一氧化碳气体浓度的变化直接有关。 4 在同一传感器中，除C之外的参数是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比。（翻上一页ppt）此时，作用电极与对比电极之间的电流就是I，根据此电流值就可知CO气体的浓度。 5 气体传感器采用的是Clark电极，即扩散型气体传感器。气体从下方进入传感器，通过透气膜和筛选膜进入传感器的腔体，并在腔体的电解液中经扩散到达电极表面进行电极反应。由于电极反应本身的速度很快，此类传感器的响应时间主要消耗在气体在电解液中的扩散到电极表面这一过程。所以，为了提高响应速度，电极应尽量靠近筛选膜，减少气体的扩散距离，使气体穿过两层膜进入电解液后能很快到达电极表面。 6 本传感器利用Pt溶胶修饰Pt丝微电极，Pt的强度大、韧性好，适合加工制作微型电极，而且其熔点高、惰性大、在高温时不容易氧化，所以，便于制作。 7 在低浓度范围内，峰电流与CO的浓度成良好的线性关系，表明该传感器适宜于定量检测CO 的浓度。当CO超过一定的浓度时，峰电流的增加更加缓慢，并最终趋向平坦，这是由两个方面的因素造成的：一是CO在电解液中的溶解度有限，达到饱和后注入的CO并不能增加修饰电极表面周围溶液中CO的浓度；二是修饰电极本身具有一定的敏感范围限制，当CO超过一定浓度时，电极自身达到“饱和”状态。 8 碳纳米管由于其独特的结构和奇特的物理、化学、力学特性以及其潜在的应用前景，科学工作者已对 其气敏特性开始进行大量的研究。作为电极使用时，其优良的导电性能将会很好地促进电活性物质的 电子传递，对某些物质的电化学行为产生特有的催化效应。 9 此传感器是将多壁碳纳米管自组装到铂微电极上，制备多壁碳纳米管粉末微电极，并以该电极作为工作电极。混合酸处理多壁碳纳米管后，将多壁碳纳米管修饰在微铂电极表面，制成多壁 碳纳米管粉末微电极用于CO检测的研究，发现该修饰电极对CO有显著的电催化作用。 10
气敏元件和传感器技术的发展现状 在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。 一、气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。 目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert 公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。 二、国内现状与差距 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是： （1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品; （2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料; （3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试; （4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。 总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要
气敏元件的制备方法1、气敏元件的结构 2、气敏元件制备流程
3、电子浆料的配制 电子浆料有多种分类方法，按用途可分为导体浆料、电阻浆料、介质浆料、磁性浆料；按主要材料与性能可分为贵金属浆料、贱金属浆料；按热处理条件可分为高温(>1000℃)、中温(1000~300℃)及低温(300~100℃)烧结浆，低温浆料又可称为导电胶。 电子浆料主要由导电相(功能相)、粘结相(玻璃相)和有机载体三部分组成。 （1）导电相(功能相) 导电相(功能相)通常以球形、片状或纤维状分散于基体中，构成导电通路。导电相决定了电子浆料的电性能，并影响着固化膜的物理和气敏性能。 电子浆料用的导电相有碳、金属、金属氧化物三大类。 （2）粘结相(玻璃相) 粘结相通常由玻璃、氧化物晶体或二者的混合物组合而成，其主要作用是在厚膜元件的烧结过程中连接、拉紧、固定导电相粒子，并使整个膜层与基体牢固地粘结在一起。粘结相的选择对成膜的机械性能和电性能有一定的影响。根据在玻璃相中的主要作用，氧化物大致可分为三类: 第一类为构成玻璃基本骨架的氧化物，如SiO2、B2O3等，它们能单独形成机械性能和电性能优良的玻璃; 第二类是调节玻璃的物理、化学性能的氧化物，如Al2O3、PbO、BaO、ZnO，它们可改善玻璃的热膨胀系数、机械强度、热和化学稳定性等; 第三类用于改进玻璃性能的氧化物，如PbO、BaO、B2O3、CaF2，它们能降低玻璃的熔化温度，同时还保证了玻璃的电性能和化学性能。 配方1（典型的硼硅酸铅玻璃粉配方） 氧化铅63%，氧化硼25%，二氧化硅12%。玻璃粉约占浆料配方的2%~3%(wt)。 配方2（改进配方） 氧化铋71%，氧化硼13%，氧化铅10%，二氧化硅5%，氧化锑1%。最高烧结温度为800度（要高于融化温度约100度，其融化温度约650度）。 配方3（无铅配方） 1#：二氧化硅50%，氧化铋20%，氧化锌20%，氧化硼10%，熔融温度814.8度 2#：二氧化硅40%，氧化铋30%，氧化锌10%，氧化硼20%，熔融温度772.5度 制备方法： 按1#所示称取各组分于刚玉坩埚中，加热至1200~1500℃熔化，熔制完成后将熔融态玻璃进行水淬处理水淬后烘干样品进行球磨，球磨3 h后，过筛制得所需的无铅玻璃粉。 使用方法： （1）该无铅导电银浆配方最佳质量分数w(银粉)72%，w(玻璃粉)3%和w(有机载体)25% （2）烧结峰值温度为580℃，保温时间为5min，烧结银膜可以获得最好的结构和电性能。 配方4 （Bi2O3-B2O3系玻璃的配方） w(Bi2O3) w(B2O3) w(ZnO) w(Sb2O3) w(Al2O3) 65 25 5 3.5 1.5
纳米气体传感器 在纳米技术中，纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平， 而纳米传感器恰恰就是纳米器件研究中的一个极其重要的领域。 随着工业生产和环境检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米气敏传感器已获得长足的进展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器[1] 。用纳米材料作为敏感材料构成的气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点：一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是大大降低了传感器工作温度；三是大大缩小了传感器的尺寸。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展前途。 研究点滴： 美国伦斯勒理工学院[2] 在Nature 上发表文章，介绍了一种微型气体传感器样品，能够非常灵敏地定量及定性分析大气中的各种气体。制作方法是：首先利用化学气相沉积法在二氧化硅基底上生长多壁碳纳米管( MWCNT。在MWCN两端加上厚约180 口m的绝缘玻璃板，然后再用铝膜覆盖起来，气体传感器即告完成。利用气体传感器测定周围的气体成分时，以MWCNT为阳极，铝膜端为阴极，施加直流电压。在MWCN顶端，很低的电压就会产生强电场，从而在周围离子化气体中发生介质击穿现象。 北京大学[3] 制成一种TiO2／PtO?DPt 双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。其敏感材料的制备方法是先在玻璃衬底上覆盖上一层由Pt 纳米颗粒构成的表面氧化的多孔连续膜，其中Pt 的纳米颗粒直径大约1.3?nm，?膜厚大约100?nm，?然后在PrO?DPt膜上覆盖TiO2膜，其中TiO2纳米颗粒的直径尺寸从3.4?nm到5.4?nm，平均直径4.1?nm。传感器的工作温度在180-200C, PtO?DPt多孔膜作为催化剂使TiO2纳米膜对氢气产生部分还原作用，从而使传感器在空气中，甚至在CO NH3 CH4等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性，比以前的钛基探测氢气的传感器有显著的提高。 美国斯坦福大学[4] 用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2／Si 基片上可制得单个 的单壁碳纳米管，两种金属被用来连接S-SWNT寸，形成金属/ S?DSWNT金属结构，呈现 出P型晶体管的性质。气体探测试验是把S-SWNT羊品放在个带着电引线的密封的500?mL 的玻璃瓶中，通入在空气或者氩气中稀释的NO2?((2- 200) X 10- 6?)或者NH3(0.1 %— 1%)，流速700mL/min。检测S?DSWN的电阻变化，在NH3气氛中其电导可减小两个数量 级，而在N02气氛中电导可增加3个数量级。其工作机理是半导体单壁碳纳米管在置于NH3气氛中时，使价带偏离费米能级，结果使空穴损耗导致其电导变小；而在NO2气氛中
2 气敏元件类型 气敏元件是指其特性参数会随外界气体浓度和种类的变化而随之发生明显变化的对气体敏感元件。人类的感觉器官缺乏对各种各样气体的定性和定量的分析判断能力，所以可以感知监能判断气体种类和浓度的气敏元件和气体传感器就成为传感器家族中十分重要的一员，依据各种结构、各种类型、各种原理、适合不同场合的气敏元件和气体传感器。 2.1 半导体式气敏传感器 所谓半导体式气体传感器，就是用半导体气敏元件和气体接触时，半导体的性能会因此而发生变化，从而检测出空气中某气体的浓度和其它成份的传感器。 半导体气体传感器，可分为两种，一种是电阻型半导体气体传感器，这一类半导体气体传感器大多采用SnO2、ZnO等氧化物材料来进行气敏元件制作，制作其工艺方法有厚膜型、薄膜型、烧结型；而另一种是非电阻型半导体气体传感器，非电阻型半导体气体传感器则有M0s—FET型、金属/半导体结型二极管型等等。 半导体气敏传感器一般的工作原理。该种传感器，其敏感材料通常采用活性相对来说比较高的金属氧化物材料，比如SnO2，金属氧化物半导体，处于空气 环境下温度升高到一定值时，氧原子将被带负电荷的半导体的表面所吸附，此时半导体表面的电子也会被转移到被吸附氧原子上，氧原子就会变成了氧负离子了，同时氧负离子会使得半导体的表面会有一个正的空间电荷层形成，半导体的表面势垒也会因此而升高，从而电子的流动受到了阻碍。在敏感材料的内部，想要形成电流，那么自由电子必须要穿过金属氧化物半导体的晶界，由氧吸附产生的势垒同样存在晶界，从而使得电子的自由流动受到了阻碍，传感器的电阻的存在就是因为这种势垒。传感器的阻值降低是因为：处于工作条件下的传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应从而使得传感器的表面氧负离子的浓度下降，势垒也随之下降。 2.2 固体电解质式气敏传感器 固体电解质就是能产生离子移动从而生成导电体的物质。因为固体电解质以离子导电为主，所以也称为离子导电体，离子大多数仅在高温的条件下导电性才
WS-30A 气敏元件测试系统 使用说明书 郑州炜盛电子科技有限公司
WS-30A气敏元件测试系统186******** QQ2627662407 目录 第一章气敏元件测试系统简介 (4) 1.1产品概述 (4) 1.2组成 (5) 1.3工作原理 (5) 1.4主要技术参数 (6) 1.5硬件系统安装 (6) 1.6软件系统安装 (7) 第二章系统使用与操作 (8) 2.1基本操作 (8) 2.1.1程序启动 (8) 2.1.2窗口 (8) 2.1.3菜单的使用 (9) 2.2测试操作 (15) 2.2.1 界面及操作 (15) 2.2.2测试数据分析显示 (20) 2.2.3设置分档、分档结果显示 (23) 2.2.4测试参数设置 (25) 第三章使用示例 (26) 3.1示例 (26) 3.2有关说明 (29)
第一章气敏元件测试系统简介 1.1产品概述 WS-30A气敏元件测试系统由郑州炜盛电子科技有限公司研发。主要用于实验或批量生产中对气敏元件特性进行测试，一次能同时对30或64支气敏元件进行测试。通过对测试数据的处理，能以图形曲线和数据两种方式显示气敏元件的特性: ★可显示气敏元件负载输出电压； ★能计算元件电阻值、电压灵敏度和电阻灵敏度； ★能计算元件的响应时间、恢复时间； ★以友好、形象的界面对所测试元件进行虚拟列阵、编号； ★能根据测量结果对元件进行分档归类，在虚拟列阵上以不同颜色直观表示，并计算出在每一档范围内的元件数与所有参加测试的元件数的比例，并以百分数表示 可将气敏元件负载输出电压随时间变化的特性曲线在测试 过程中动态显示。 为方便观察，可以打开专用特性曲线观察窗口进行观察，窗口大小可以任意调节。 本系统还能对负载电阻进行虚拟设置，既只须对元件进行一次测试，然后通过设置虚拟电阻，既可计算、观察到气敏元件与不同负载电阻(虚拟)串联时的特性参数。