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基于氧化锌复合膜的声表面波传感器的气/湿敏性能研究

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声表面波(SAW)传感器因其灵敏度高、检测时间短、稳定性好、体积小、成本低等优点而发展潜力巨大。氧化锌(ZnO)作为合成工艺简单、电子迁移率高、可控制形貌并产生空位缺陷的重要金属氧化物半导体材料,十分适合用来进行改性,并作为传感器的敏感层,能够达到增强气敏和湿敏性能的效果。本论文采用热稳定性好的ST-cut石英作为压电基底,测出温度频率系数(TCF)值为0.12ppm/℃,并采用水热法制备出花状纳米ZnO作为SAW传感器的敏感薄膜进行气敏和湿敏测试,测试结果作为对照组,分别将ZnO与氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs-NH2)和海藻酸钠(SA)进行复合,制备基于ZnO/MWCNTs-NH2复合膜的氨气传感器和基于ZnO/SA复合膜的传感器的湿度传感器。 与基于ZnO的传感器对比,基于ZnO/MWCNTs-NH2复合膜的传感器拥有更好的氨气传感性能,这是由于ZnO/MWCNTs-NH2增大了比表面积和孔隙,增多了空位缺陷。气敏测试中,在100ppm浓度NH3下频率响应达到-2.7kHz,最低检测下限为0.1ppm,并拥有较快的响应与恢复时间,较好的选择性、短期重复性和长期稳定性。分别探究了反应阶段中发生不同方向频移变化的原因,低浓度NH3下正频率响应是由于少量的NH3分子和空气中的H2O分子先被敏感薄膜吸附进入膜内孔隙中,改变了膜的弹性模量,起主导作用的是弹性负载响应。高浓度NH3下发生负频率响应的原因是随着NH3分子增多,膜内孔隙减少,NH3分子吸附在复合膜的表面,增加了膜的质量,从而质量负载效应起主要作用。 通过与SA复合后制备的ZnO/SA湿度传感器比基于ZnO的SAW传感器提升了湿敏传感性能,复合膜上增加的官能团有利于吸附更多的H2O分子。基于ZnO/SA的湿度传感器具有高灵敏度,在30%RH-90%RH湿度变化范围内产生了-26.4kHz的频移,二者呈线性关系。主要影响频率响应变化的因素为电负载效应和质量负载效应,前者是由于膜内的电荷转移和水之间的电离,后者是H2O分子被复合膜表面吸附形成氢键增加了膜的质量。

孔心雨

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声表面波传感器 氧化锌 氨气传感性能 湿敏性能

硕士

电子信息

向霞

2023

电子科技大学

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