掺杂气敏材料体系研究.PDF

四通道气敏性能测试仪——应用案例 1 掺杂气敏材料体系研究 掺杂是提高气体敏感材料选择性、敏感性最为有效的途径之一。掺杂气敏材料研究的一 般步骤为制备不同掺杂含量的气敏粉体材料、用所制备材料制作薄膜或厚膜气体传感器、材 料及传感器结构、形貌表征、传感器性能测试（不同气体、不同浓度、不同工作温度等）。 目前使用的气体传感器主要有管状和平片状两大类。管状试样结构如图1，在Al O 陶 2 3 瓷管两端覆有Au 电极，再通过Pt 导线引出，气敏材料一般通过涂覆的方法制备在陶瓷外表 面、两个Au 电极之间。整个传感器加热通过陶瓷管内孔穿入的Ni-Cr 加热丝实现。这种结 构的传感器具有以下无法克服的缺点，目前逐步被淘汰： 1） 涂覆法所获得的膜层厚度无法控制，可 重复性很差，且膜厚均匀性也无法保证； 2） 传感器工作温度无法准确得知。控制传 感器加热温度唯一途径只能调节 Ni-Cr 加热丝上 加热电压，而实际温度与 Ni-Cr 丝阻抗、Ni-Cr 丝与管壁间隙、涂层厚度等密切关联，这也是为 图1 管状试样结构示意图 什么一些研究者直接用电压，而不是用温度表征传 感器温度特性的主要原因。 SD-101 四通道气敏性能测试仪采用平板状基片（TC-5010），其结构如图2 所示。基片 尺寸为30mm×6mm×0.625mm，中心插齿电极直径3.6mm，用于制备气体敏感材料膜，插齿电 极外设计有一个直径为5mm 的加热丝，由程序控制将内部敏感材料膜加热到指定工作温度。 基片材质Al O ，电极及加热丝均为Pt。 2 3 图2 TC-5010 基片 在TC-5010 基片插齿电极上制备敏感膜的方法较多，包括丝网印刷、旋涂、浸渍、提拉、 CVD、溅射、转印等。本案例以丝网印刷法为例制备掺杂气敏膜，工艺流程如图3 所示。丝 网印刷制得膜厚为10～15 μm，且膜厚均匀，如图4。 地址：湖北省武汉市洪山区珞狮路507 号 网址： 第 1 页 四通道气敏性能测试仪——应用案例 1 浆料 丝网印刷 烧结 图3 丝网印刷工艺 图4 丝网印刷ZnO 厚膜截面形貌 图5、6、7 为Ti 掺杂纳米ZnO 传感器实例。 图6 不同TiO2 含量的ZnO 厚膜的XRD 图5 不同TiO2 含量的ZnO 厚膜的SEM 形貌 (a)ZnO；(b)ZnO+1wt.%TiO ； 2 (c)ZnO+5wt.%TiO ；(d)ZnO+10wt.%TiO 2 2 图7 不同TiO2 含量的ZnO 厚膜的空气电阻 地址：湖北省武汉市洪山区珞狮路507 号 网址：