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华中科技大学
硕士学位论文
ZnO基气敏传感器阵列的制备及稳定性的研究
姓名:杨勇
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:谢长生
20061231
摘要
本文采用丝网印刷技术,以 Al2O3 陶瓷为基片,制备出具有 RuO2 加热器,Ag 加
热电极,Au 测量电极和四个 ZnO 气敏单元的传感器阵列。用浓度分别为 1mol/L、
3mol/L、5mol/L、8mol/L 的乙酸铜和乙酸锌(摩尔比 1:1)溶液,对阵列表面进行浸
泡处理, 650℃ 2h 烧结。研究气敏膜的微观结构以及阵列的加热特性、温阻特性和
气敏特性,并着重讨论了气敏膜的微观结构和 ZnO(n)-CuO(P)异质结对阵列的气敏
特性和稳定性的影响。分析了元件制备的一致性状况。
用丝网印刷制备气敏传感器阵列,其设备和工艺简单,制备方法灵活,可调控性
好,工艺重复性好。制备出的阵列具有好的加热特性、功耗仅为 450mW,阵列性能
可靠。
通过对纯 ZnO 气敏元件和表面浸泡处理的元件在 650℃、2h 烧结条件下的微观形
貌做 SEM 分析,发现纯 ZnO 气敏膜的结构多孔,疏松且颗粒尺寸较大。浸泡处理后,
Cu+的加入可以有效地抑制晶粒在高温焙烧过程中的生长,使得气敏膜的结构致密,
颗粒较细小。
对表面处理前、后传感器阵列的基线电阻和敏感度的稳定性进行对比研究,并进
行了机理分析。
在 400℃下,对 100ppm 无水乙醇连续 30 次的短期稳定性测试。元件阵列的基线
电阻在测试初期漂移现象明显,随着测试次数的增加逐渐趋于稳定。纯 ZnO 敏感元件
的敏感度在测试过程中变化较大,而经过表面处理的元件敏感度的变化则相对稳定。
对元件长期稳定性和空气湿度影响的测试结果表明,纯 ZnO 敏感元件阵列基线电
阻波动较大,基线电阻相对误差ε R (>25%)占到了总测试量的 20%,存在信号漂移现
象。通过浸泡处理的元件基线电阻波动较小,ε R (>25%)分别只占总测试量的 10%、
5%、5%、%表现出良好的稳定性。气敏膜的表面形态和 p-n 异质结是影响稳定性
的主要因素。
通过研究表明,改进和提高元器件的制作工艺水平,是改善元件一致性的必要手
段。
关键词:丝网印刷传感器阵列稳定性 p-n 异质结一致性
I
Abstract
Gas sensor arrays were fabricated though screen-print technique. Arrays consist of
RuO2 heater, Ag heating electrode, Au measurement electrode and 4 ZnO-based sensitive
units based on Al2O3 ceramic substrate. The sensing films were treated by dipping into the
concentration of 1mol/L、3mol/L、5mol/L、8mol/L copper acetate and zinc acetate(1:1 molar
ratio) solution respectively, sintered at 650℃ for 2h. Some important characteristics of the
integrated sensor arrays, such as the heating properties, the temperature-resistance
properties and the sensitivity were investigated. Peculiarly, the effect on the sensor arrays
sensitivity and stability by the sensing films microstructure and CuO(P)-ZnO(n)
heterojunction was studied. Analysed the consistency of gas sensor arrays.
The preparation of sensor arrays by screen-print technique has some good
characteristics. Such as the heating properties, the power consumption is only 450mW.
the equipment and te