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MnO_2掺杂ZnO气敏传感器阵列的制备与性能研究

作　者: 肖立奇
导　师: 谢长生；黄开金
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料学
关键词: 平板共面型气敏传感器阵列丝网印刷工艺纳米结构调控低功耗气敏性能稳定性
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 50次
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内容摘要

金属氧化物（MOX）气敏传感器在当前气敏传感器研究和应用中占有主导地位。由于目前器件制作工艺水平不高,器件往往无法充分发挥金属氧化物纳米材料的优异性能。如何有效地将材料微结构控制方法与器件制作工艺相结合,是充分展现金属氧化物纳米结构优越性能的关键与难点。本文基于实验室成熟的丝网印刷工艺和ZnO纳米结构调控的经验,将材料微结构调控方法与器件制作工艺有机结合,通过丝网印刷实现空间定位,采用溶液生长处理工艺在ZnO厚膜表面诱导生长特殊的ZnO纳米结构,成功地制备出对甲醛、苯等室内污染气体敏感性能良好的MnO₂掺杂ZnO纳米结构平板共面型气敏传感器阵列。为降低传感器功耗,简化器件制作工艺流程,设计了一种新型传感器封装结构——平板共面式,对比分析管状悬挂式、平板贴片式和平板共面式三种传感器结构发现,平板共面式最优,功耗最小。深入研究了不同粘结材料对平板共面式器件的功耗和热响应特性的影响,研究表明,传感器功耗高的关键问题之一在于加热器热量的大量丧失,采用0.3%矿渣微粉和水玻璃组合封装器件能有效降低功耗,工作温度为320℃时,其单一阵列功耗仅为0.37W。MnO₂掺杂ZnO厚膜经溶液生长处理获得了比表面积更大的纳米墙、花瓣、纳米线团簇等ZnO纳米结构,他们的存在能有效地提高传感器对甲醛的敏感性能。实验研究表明,ZnO厚膜在0.01mol/L生长液中95℃生长处理5h对甲醛敏感性能最佳。经该工艺处理的ZnO厚膜元件相比只经蒸馏水处理ZnO厚膜元件,对甲醛及苯的敏感度均提高了近一倍。此外,研究膜厚、溶液处理工艺、烧结温度、掺杂MnO₂对传感器稳定性的影响。与单层元件相比,双层元件电阻的波动较弱,表现出较好的稳定性。650℃和800℃烧结工艺下制备器件的电阻随时间的变化幅度相对较小。热冲击稳定性测试与短期重复性测试结果表明,MnO₂的掺入有利于改善传感器的耐热冲击性能;经过溶液生长处理的传感器整体稳定性得到改善,电阻明显降低。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-17
  1.1 引言  10
  1.2 微结构气敏传感器结构与原理  10-12
  1.3 国内外研究现状  12-15
  1.4 本文的研究意义和内容  15-17
2 平板共面型传感器结构设计与热分析  17-36
  2.1 共面结构传感器设计与制作  18-26
  2.2 平面型加热器设计制作与评价  26-33
  2.3 加热器一致性研究  33-35
  2.4 本章小结  35-36
3 MnO_2掺杂ZnO 平板型气敏传感器阵列气敏性能研究  36-59
  3.1 引言  36
  3.2 实验方案  36-39
  3.3 MnO_2 掺杂ZnO 厚膜物相与形貌表征  39-43
  3.4 工艺参数对传感器气敏性能的影响  43-53
  3.5 改进工艺处理传感器气敏性能  53-56
  3.5 Zn-Mn-O 材料气敏机理  56-58
  3.6 本章小结  58-59
4 MnO_2掺杂ZnO 平板型气敏传感器阵列稳定性研究  59-75
  4.1 MOX 气敏传感器稳定性影响因素  59-60
  4.2 气敏传感器稳定性评价标准  60-62
  4.3 稳定性测试方法  62-63
  4.4 MnO_2 掺杂ZnO 基平板型传感器稳定性测试  63-74
  4.5 本章小结  74-75
5 结论与展望  75-77
  5.1 结论  75-76
  5.2 展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-82

MnO_2掺杂ZnO气敏传感器阵列的制备与性能研究

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