氣敏薄膜及氣體傳感器陣列的制備及特性研究.pdf

1、利用具有不同選擇性的多個氣敏元件組成氣體傳感器陣列，可充分利用傳感器陣列所提供的交叉敏，并運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的模式識別技術對其響應輸出譜進行分析，就可以實現(xiàn)傳感器的高選擇性，并提高氣體傳感器的測量精度。軍事和工程上有著廣泛應用的電子鼻就是在此基礎上發(fā)展起來的，它由氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集卡及模式識別算法三部分組成，它在食品、化工、環(huán)保、醫(yī)療診斷、毒品檢驗等方面有很重要的應用，其關鍵技術就是氣體傳感器陣列。 本論文以氣敏薄膜及氣體傳

2、感器陣列為研究對象，首先對氣敏薄膜體系進行了系統(tǒng)研究：采用真空熱蒸發(fā)工藝制備了WO3薄膜、通過真空蒸發(fā)法和旋涂法制備了TCNQ薄膜和SnPc薄膜及它們與PMMA的復合薄膜、通過摻雜誘導自組裝工藝制備了納米金基底，并進一步制備了聚苯胺/聚苯乙烯磺酸摻雜自組裝復合膜。其次，率先設計了電子聚合物化學場效應管型氣體傳感器陣列結(jié)構(gòu)，并針對基于聚苯胺/聚苯乙烯磺酸摻雜自組裝復合膜的氣體傳感器陣列的敏感特性進行系統(tǒng)的研究及分析。最后對氣體傳感器陣列測

3、試算法進行了初期研究。所得到的主要結(jié)論及創(chuàng)新性結(jié)果可歸納如下： 1.采用真空熱蒸發(fā)工藝及合適的熱處理工藝，在微晶玻璃基片上得到了六方結(jié)構(gòu)并且在<100>方向上擇優(yōu)取向的WO3薄膜，得到了最佳成膜工藝條件。結(jié)果表明，WO3薄膜是可以通過熱處理晶化。研究表明，在退火處理溫度為600℃，可以得到六方結(jié)構(gòu)并且在<100>方向上擇優(yōu)取向的WO3薄膜。對WO3薄膜傳感器NO2敏感特性研究表明，其敏感特性很大程度上由蒸發(fā)時的工藝條件、熱處理溫

4、度及工作溫度決定。得到的最優(yōu)條件為：熱處理溫度600℃、工作溫度200℃。 2.采用摻雜誘導自組裝與靜電力自組裝工藝相結(jié)合的方法制備了納米金膜，在此基膜上進一步制備了聚苯胺/聚苯乙烯磺酸摻雜自組裝復合膜。研究表明，在膠體金的合成過程中，還原劑量越多，金納米粒子的粒徑越小且粒子為球形，粒度較均一，單分散性好；隨著還原劑用量的減少，金納米粒子的粒徑變大，但其形狀呈較明顯的橢圓形。同時發(fā)現(xiàn)，與其他三種溶膠比較，使用乙醇溶劑膠體的自組裝

5、膜沉積粒子的分布比較均勻，平整度最好，達到納米量級。XPS分析表明聚苯胺只住表面被部分摻雜，所制備自組裝膜均勻、致密。研究表明，自組裝的聚苯胺薄膜均勻牢固，與襯底的附著性較好。紅外吸收譜分析表明，制備的聚苯胺薄膜在1683cm-1處出現(xiàn)了一個新的峰值。氣敏測試表明，聚苯胺薄膜對NO2氣體的靈敏度隨膜層增加而增加。 3.創(chuàng)新性地將TCNQ和SnPc小分子摻入PMMA中形成復合薄膜，并對摻雜前后薄膜的性能進行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，真

6、空蒸發(fā)制備的SnPc薄膜對于NO2具有良好的敏感特性，但對NH3敏感型很弱。同時發(fā)現(xiàn)，薄膜厚度控制在1200A敏感特性最好。研究發(fā)現(xiàn)，在PMMA/TCNQ的旋涂復合薄膜中，TCNQ晶體顆粒明顯變小，分布比較均勻。旋涂制備的TCNQ薄膜對NH3敏感性很好，但是響應和恢復隨NH3濃度的增加迅速增大，而TCNQ摻雜的PMMA旋涂薄膜的響應不穩(wěn)定。旋涂制備的SnPc與PMMA復合薄膜對NO2具有良好的敏感性，同時響應時間較快，達到10秒左右，具

7、有實用價值，但恢復時間隨NO2濃度的增加而變長。純SnPc的旋涂薄膜雖然有較好的靈敏度，但是響應時間相對較慢，而且恢復時間很長。 4.率先設計并研制出了化學場效應管型氣體傳感器陣列，并對其主要工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。氣敏測試表明，本文設計的無柵結(jié)構(gòu)氣體傳感器陣列器件的在一定濃度的氣氛中重復性和響應時間(開關特性)均優(yōu)于課題組初期設計的槽柵型化學場效應管器件。研究還表明，表明柵極絕緣層厚度對器件的靈敏度有很大影響，而增加金基底對NO2

8、氣體響應輸出靈敏度的提高有一定的改善。對陣列的氣敏測試表明，低濃度下輸出電流與氣體濃度呈對數(shù)變化關系，且隨膜層增大，器件輸出響應在低濃度時靈敏度降低，在高濃度時靈敏度增加。氣敏輸出響應隨氣體濃度增大而指數(shù)增大，到一定濃度達到最大值，隨后出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象。實驗測試結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，寬度相同的器件，一般情況下寬長比越大靈敏度越高。研究表明，氣體傳感器陣列對溫濕度的響應成線性關系，因此，從本論文研制的氣體傳感器陣列中提取不同敏感量的特征響應向量，就

9、可以實現(xiàn)環(huán)境介質(zhì)如溫度、濕度及氣體濃度的檢測，從而為研制檢測溫度、濕度及氣體濃度的一體化環(huán)境介質(zhì)傳感器奠定了基礎，這對國民生產(chǎn)和軍事國防都有重要意義。 5.運用MATLAB設計了適用于線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，得到了具有較大工程應用價值的階段性成果。本論文運用BP算法與“提前停止”法相結(jié)合來處理非線性問題，加快了網(wǎng)絡的訓練速度，使網(wǎng)絡的推廣能力大大提高，為氣體傳感器陣列的實用化奠定了基礎。研究表明，本論文設計的系統(tǒng)具有