沸石及其复合物气体传感器的研究与应用

半导体金属氧化物是一种常见的气敏材料,以该类型材料作为敏感材料可以设计出具有不同传感原理的气体传感器,但选择性和灵敏度不佳却一直是该类气体传感器的不足。为了解决该问题,常将气敏材料与沸石进行复合,制备金属氧化物/沸石气体传感器,利用沸石独特的物理、化学特性来改善金属氧化物的气敏特性。近年来,许多研究者对金属氧化物/沸石气体传感器进行了研究,使该类传感器对目标气体的选择性与灵敏度均有了提升。为了更好地总结已有的研究内容,以气体传感器的检测原理为主线,对金属氧化物/沸石气体传感器进行了总结,结合沸石对气敏特性的改善进行归纳梳理,从传感器的制备方法、气敏特性和敏感机理等多方面进行了详细的整理和分析,为后续此类工作的开展提供基础。     

An optic fiber sensor for multiple gases based on fiber loop ring-down spectroscopy and microring resonator arrays

A high-sensitivity sensor for multiple gases based on microring array filter and fiber loop ring-down spectroscopy system is proposed and demonstrated. The parameters of the resonators are designed so that the filtered signal from a broadband light source can be tuned with an absorption spectral line of gas. Therefore, through adding microring resonators horizontally and vertically, the number of target gases and filter range are increased. In this research, in the broad spectral range of about 0.9 μm, only the absorption spectral lines of target gases are filtered. The simulation results show that three target gases, CH₄, CO₂ and HF, can be simultaneously detected by the sensing system. Owing to the fiber loop ring-down spectroscopy, the whole system is optimized in mini-size and sensitivity, and we can choose different sensing methods to enhance the measurement accuracy for high and low concentration conditions.     

沸石及其复合物气体传感器的研究与发展

近年来大量文献报道了沸石及其复合物气体传感器的研究和设计.该类型传感器在选择性、稳定性、灵敏度以及响应范围上均表现出了优异的特性.本文以沸石的基本特性为主线,从沸石基气体传感器的制备方法和测试手段入手,总结了近些年主流沸石基气体传感器的气敏特性和敏感机理,并对未来沸石基气体传感器的发展趋势进行了阐述.     

基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器

物联网(IoT)作为战略性新兴产业已经上升为国家发展重点，但在实际应用中也面临各种安全威胁。确保资源受限物联网系统数据传输、处理和存储的安全已成为研究热点。该文通过对物理不可克隆函数(PUF)和传感器制备工艺偏差的研究，提出一种基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器设计方案。该方案首先采用静电喷雾沉积(ESD)方式生成具有高比表面积特性的纳米材料，结合高温煅烧技术制备Pd-SnO₂气敏传感器；其次采集Pd-SnO₂气敏传感器在不同气体浓度、环境温度、加热电压条件下对甲醛气体的响应数据；然后利用随机阻值多位平衡算法比较不同簇气敏传感器响应的阻值，进而产生多位高稳态PUF数据；最后对所设计PUF发生器的安全性和可靠性进行评估。实验结果表明，该PUF发生器的随机性为97.03%、可靠性为97.85%、唯一性为49.04%，可广泛应用于物联网安全领域。     

多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

牺牲层结构压力传感器技术

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在微机电系统压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并对这种传感器的工艺方法进行了研究.通过对牺牲层材料及结构的分析,给出了传感器的工艺流程,指出其中存在的工艺难点并给出了解决方法.利用牺牲层技术和多晶硅纳米薄膜制做压阻传感器,不但可以提高传感器的灵敏度,还可改善温度特性,而且可与集成电路工艺相兼容.     

基于MWCNTs的气敏测试纸

介绍了一种简单、可直接在纸上制作的气体传感测试纸.由多壁碳纳米管(MWCNTs)在纸上摩擦,粘附的MWCNTs即为传感器的敏感层.采用相同方法分别在不同的纸张上制作传感器,并对气敏性能进行了比较,结果表明:滤纸的多孔性和粗糙的表面,可以促使其上的敏感层吸附和释放气体分子,使气体传感器在室温条件下完全恢复.传感器具有良好的重复性和稳定性.气体传感测试纸可以进一步用于挥发性有机气体(VOCs)的检测开发.     

流延共烧法极限电流氧传感器研究

采用固相法合成La0.8 Sr0.2MnO3 (LSM)粉体,利用干压法制备自合成LSM粉体和商业化8钇稳定氧化锆(8YSZ)粉体的条样;利用流延法以及多层高温共烧工艺制备以LSM致密层为扩散障的8YSZ基极限电流氧传感器;利用四端子测电阻法对LSM和8YSZ条样在干燥空气和氦气中进行电导率的剥离测试,结果发现:在700℃时,LSM和8YSZ电子电导率分别占总电导率的99.7％和0.03％.进一步对传感器进行测试,发现传感器均具有一定的饱和平台,且随着致密扩散障厚度的增加极限电流减小.     

静电纺丝法制备氧化物纳米纤维及其气敏特性

静电纺丝技术由于简单的装置和制备过程,以及所使用材料的多样和应用领域的广泛,被认为是制备纳米纤维材料最具发展潜力的方法.简述了静电纺丝技术和影响纺丝质量的相关因素;介绍了静电纺丝制备半导体氧化物纳米纤维的方法及纳米纤维在气体传感器领域的应用;比较了几种纳米纤维和纳米线纳米棒等气敏元件的敏感特性;最后分析了纳米纤维具有优...     

掺杂PdO敏感电极对丙烯的气敏性能研究

为了研究并提升氧化钯(PdO)敏感电极的气敏性能,采用Ni,La和Mg元素对PdO进行掺杂.通过掺杂前后PdO的表征实验对比,发现掺杂作用不仅改变晶格参数,同时也影响晶体中的缺陷.在对丙烯气敏测试中,Ni和La掺杂的PdO敏感电极提高了传感器气敏灵敏度.对于掺杂提高气敏响应的机理,我们根据不同元素掺杂对PdO气敏反应的不同作用,讨论了氧化物缺陷对PdO催化活性的影响.晶体中的氧缺陷可以提高氧化物的催化活性,使传感器具有较高的灵敏度.具有掺杂PdO敏感电极对氧气和多种气体的选择性测试,表现出对丙烯气体具有较高的选择性.