MEMS低功耗氧化锌气体传感器的设计

本文介绍了一种基于MEMS技术的ZnO气体传感器的设计与制备方案。该传感器采用磁控溅射技术制备掺杂碳纳米管的ZnO薄膜气敏材料,利用干法刻蚀技术形成硅中空膜片,并在膜片上形成Pt环形加热电阻作为微型加热装置。该传感器具有低温敏感、低功耗和小型化等特性。     

氧化锌纳米棒/单晶硅的酒精传感器研究

首先采用射频溅射在单晶硅(Si)上制备氧化锌(ZnO)薄膜,作为生长ZnO纳米棒的晶种层,再在水热条件下生长ZnO纳米棒.X射线衍射、X射线能量色散谱,扫描电镜及室温光致发光谱对样品的物相结构、成分、表面微观形貌和晶体缺陷进行了表征.结果表明合成的ZnO纳米棒是六方纤锌矿结构,长径比较高,结晶良好.研究了ZnO纳米棒/单晶Si传感器在空气和酒精气体中的电压-电流(Ⅰ-Ⅴ)特性,阻抗谱及响应-恢复时间.该传感器在+6 V的偏置电压下,其电阻在0.08 g/L酒精气体中下降71%,响应时间小于1 min,可以作为一种新型的酒精气体传感器.     

基于悬浮薄膜堆叠式结构的微气体传感器设计

本文基于MEMS工艺所设计的气体传感器,克服了以往同类传感器响应时间长,读取数据量小,功耗大等缺点。由于温度作为气体传感器的一个重要工作条件,其敏感薄膜上温度的均衡度直接影响气体传感器的工作性能。该传感器采用悬浮薄膜式堆叠结构,堆叠层主要包含硅基底、隔离层、加热电极、绝缘层以及敏感薄膜。这样的结构设计是为了形成热隔离真空腔,真空环境可以有效降低温度瞬变对敏感薄膜的影响。利用ANSYS软件建立该结构建模,并对其进行温度仿真后发现该结构符合预期的理论分析,其响应时间缩短,拾取的数据量大幅增加,同时功耗有效降低。     

类积木状ZnO气体传感器的制备及其气敏特性研究

采用水热法合成了类积木状ZnO纳米结构,利用X射线衍射仪(XRD)、X射线能谱分析仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的ZnO纳米结构的物相、化学组分及微观形貌进行了表征与分析。对基于ZnO纳米结构的气体传感器进行甲烷气敏特性测试,测试结果表明:该传感器的最佳工作电压为5 V,在该电压下对体积分数为200×10-6甲烷气体的灵敏度可高达55.4%,最低检测限为1×10-6。     

稀土Nd掺杂纳米ZnO薄膜气敏特性

研究了用真空气相沉积法在玻璃衬底上制备掺稀土Nd的ZnO薄膜的气敏特性,实验给出,经温度为500℃,时间为45min的氧化、热处理的掺Nd的ZnO薄膜的晶粒尺寸、结构特性均发生变化。随掺Nd质量分数的增大,薄膜的晶粒尺寸从53nm减小至20nm。经掺Nd(质量分数为4.96×10-2)后纳米ZnO薄膜对乙醇气体的选择性和灵敏性均得到明显的改善。在1.5×10-3体积分数的乙醇气体中最高灵敏度为34,相应的薄膜工作温度为200℃。     

基于喷墨打印的可实现敏感材料原位沉积和高温检测的柔性丙酮气体传感器

通过离子交换技术对衬底表面改性,然后喷墨打印掩膜图形,在聚酰亚胺衬底两面分别制备了银叉指电极和加热电阻.通过调节电阻加热器两端的直流偏压,实现25 ℃~280 ℃的控温加热.集成的加热器具有双重功能:纳米ZnO敏感薄膜原位沉积和高温检测.结果表明,该传感器对丙酮气体的灵敏度随温度单调增加(<150 ℃).此外,加热器促进了ZnO敏感薄膜表面丙酮气体分子的解吸,缩短了传感器响应和恢复时间,并减小了初始电阻的漂移.此外,在丙酮检测中,加热器能有效地减少湿度干扰.     

SnO2基薄膜气体传感器制作与敏感性测试

在现有的粉末烧结型SnO2基气敏传感器基础上研制了薄膜型SnO2基气体传感器,以抛光的丽热石英玻璃为基片,真空磁控溅射50～70nm厚度的SnO2薄膜,在SnO2薄膜上分别溅射不连续的ZnO、Al2O3、CeO2、InO2等薄膜,传感器背面溅射30μm的Ni80Cr20电阳合金作为传感器加热电阻,用薄膜热电偶测量传感器工作温度。测试了不同的复合瞑对传感器灵敏度和选择性的影响,并对传感器的吸附与解吸速度进行了测试,薄嗅传感器达到相同灵敏度所需的工作温度比粉末烧结型传感器下降100～150℃,吸附解吸速度比粉末烧结型快。     

二氧化锡薄膜气敏传感器对常见室内污染气体的 电阻2温度特性及机理分析

采用无机试剂(SnCl2·2H2O)为原料,用溶胶-凝胶提拉法制备了二氧化锡薄膜及相应的气敏传感器,并研究了二氧化锡薄膜气敏传感器在常见室内污染气体气氛中的电阻-温度变化关系.结果发现不同气氛下电阻-温度特性各不相同,由此可以获得被测气体的相关信息.本文还用分子轨道计算软件对四种室内污染气体的分子轨道进行了计算,并根据分子轨道能级的相对位置定性解释了二氧化锡薄膜气敏传感器在不同气氛中的电阻-温度曲线.通过对甲醛、苯、甲苯、二甲苯四种气体电阻-温度曲线的测试可以确定被测气体的种类.     

小流量热式气体流量的数值模拟研究

为了研究火烧油层采油技术中火烧井空气(助燃剂)的注入状况和监测微小气体流量,提出了一种具有自动温度补偿功能及混合气体组分补偿功能的小流量热式气体质量流量测量方法。为适应井下狭小空间的复杂操作环境,在传统传感器结构的基础上,在管道中加入环形分布器的传感器优化结构。利用FLUENT进行流体仿真,验证该结构的可行性及测量原理数学模型的正确性。传感器优化设计为深入了解各层注入气体量和提高采收率提供了可靠的依据。     

基于ZnO传感器的高流速气体压力测试

针对机械系统中气体轴承间气膜压力的分布检测,提出并研发了一种基于ZnO传感器的检测方法。ZnO纳米颗粒敏感材料采用化学沉淀法制备;用X射线衍射和扫描电镜对其进行了表征。利用ZnO传感器的响应电压与动态气体压力的关系,成功测试出高压动态气体的压力。分析了氧气吸附、压电效应和热传导对响应电压的影响,拟合出对应的气体压力-响应电压关系曲线,本研究为高流速气体压力的测试提供了一种新途径。     

LPG sensing properties of ZnO films prepared by spray pyrolysis method: Effect of molarity of precursor solution

Nanocrystalline ZnO films were deposited onto glass substrates by spray pyrolysis of zinc nitrate solutions and used as a liquid petroleum gas (LPG) sensor. The dependence of the LPG sensing properties on the molar concentration of zinc nitrate solutions was investigated. The ZnO films were oriented along (0 0 2) with the hexagonal crystal structure. The grain size and grain density increased with an increase in molar concentration of zinc nitrate solutions. The gas sensing properties for LPG of the ZnO films for LPG with different grain sizes were measured at different temperatures. The maximum sensitivity of 43% at the operation temperature of 673 K was found for the ZnO film prepared by spraying a 0.1 M solution. The ZnO thin films exhibited good sensitivity and rapid response–recovery characteristics to LPG. Further, it has been shown the gas sensitivity of the ZnO gas sensor depends upon its grain size.     

ZnO纳米棒修饰的QCM气体传感器检测NH_3研究

主要介绍了ZnO纳米棒修饰的石英晶体微天平(QCM)气体传感器的制备与测试。采用两步法在石英晶振片表面制备直径为100 nm的ZnO纳米棒敏感膜,构成QCM NH3传感器。检测系统为自主研发的基于LabVIEW平台的QCM气体传感器频率测试软件。检测NH3的体积分数为5×10-6~50×10-6,响应时间均在10 s以内,最大频差值为10.9 Hz,响应最大频差值与NH3体积分数呈现良好的线性关系。室温条件下,ZnO纳米棒敏感膜可以完全实现吸附解吸过程,具有可逆性。该传感器性能稳定,响应灵敏,具有重复性。     

氧化锌气体传感器的制备及甲烷检测特性研究

甲烷(CH4)是电力变压器油纸绝缘中溶解的主要故障特征气体,能有效反映运行变压器油纸绝缘故障.气体传感检测是油中气体在线监测、分析的关键.基于水热法,制备了氧化锌(ZnO)纳米片和纳米球气敏材料及传感元件,基于实验室搭建的微量气体检测平台测试了其对CH4的检测特性.研究表明:基于ZnO纳米片制作的气体传感器比纳米球传感器对CH4表现出更好的气敏性能,对50μL/L CH4的最佳工作温度降低了约60℃,同时对低浓度(1μL/L～20μL/L)CH4表现出较高的线性度和长期稳定性.本研究对研制高性能的ZnO基CH4气体传感器奠定了基础.     

Fabrication of gas sensing devices with ZnO nanostructure by the low-temperature oxidation of zinc particles

A method for low-temperature synthesis of a mixture of high-density ZnO nanoflakes and nanowires was developed to produce low-cost and high-efficiency gas sensors with ZnO nanostructures. ZnO nanoflakes and nanowires were grown on glass substrates by the RF sputter deposition of Zn particles and localized oxidation at a low temperature of 300 °C. The synthesized ZnO nanoflakes and nanowires were polycrystalline and had nanometer dimensions, as revealed by X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscope (FESEM) measuring. A gas sensor based on the mixture of ZnO nanoflakes/nanowires responded rapidly and sensitively to ethanol. The sensing properties of the ZnO nanostructure sensor were approximately 72% for 50 ppm ethanol gas at an operating temperature of 100 °C. The response to 10 ppm of ethanol gas was 42% at the same temperature.     

外磁场诱导Ni-ZnO型甲醛传感器气敏性研究

结合NiO和四针状纳米ZnO的优点,提出了利用平行和垂直气敏膜的磁场诱导Ni纳米颗粒在四针状纳米ZnO气敏膜中的分布来制备甲醛气体传感器的方法.介绍了制备方法,分析了对甲醛的敏感性及其气敏性机理,测试了在不同使用方式中的稳定性.实验结果表明:平行于厚膜表面的磁诱导5%的Ni掺杂ZnO厚膜具有较好的稳定性,同时,对甲醛具有最佳的气敏性和检测的重复性,以其作为甲醛气体探测器具有很好的前景.     

用于油库安全监测的气体传感器研究与设计

研究并设计了一种用于油库安全监测的气体传感器.传感器中气体敏感元件是利用直流磁控溅射法制备的Al掺杂ZnO薄膜.此薄膜对汽油等有机蒸汽有较高的敏感性和较短的响应(恢复)时间.当油气浓度较大时(大于1%),输出信号的变化仍较大.本传感器采用MAX197芯片,可以同时采集多个气敏元件的模拟信号并进行12位高精度A/D转换,利用无线收发模块F05C、J04E进行数据的无线传输.传感器拥有ACM12864液晶显示模块,方便数据显示.     

热蒸发石墨烯基SnOx-Sn传感器气敏性研究

通过化学气相沉积法制备石墨烯并采用热蒸发法在石墨烯上沉积锡(Sn)及其氧化物,得到石墨烯基SnOx-Sn气敏传感器,研究其在室温下对低体积分数甲醛和二氧化氮(NO2)气体的气敏性及SnOx-Sn膜厚和基底加热温度对传感器气敏性的影响.通过场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)等表征手段研究了石墨烯基SnOx-Sn气敏传感器的形态结构.     

A wet-chemical process to form palladium oxide sensitiser layer on thin film zinc oxide based LPG sensor

The liquid petroleum gas (LPG) sensitivity characteristics of zinc oxide (ZnO) films have been studied for an optimised level of Pd loading. The sensor element comprises of a layer of chemically deposited ZnO on which an overlayer of palladium (Pd) sensitiser was formed by a chemical dipping technique. The room temperature resistance of the film was found to be a sensitive function of the quantity of palladium loading, which could be optimised for stable and reproducible sensor properties. The sensor characteristics that are dependent also on the operating temperature could be optimised at around 250 °C. A sensitivity of 88% was observed in presence of 1.6 vol.% LPG in air at this optimum temperature with reasonably fast response and recovery times.