摘 要

本实验在纳米SnO₂气敏材料中掺杂不同比例的Pt，用以提高其气敏性能。通过丝网印刷法制备掺杂0%、1%、5%、10%Pt的纳米SnO₂气体传感器。采用一种全新的采样-富集-反应的测试方法，在几种不同的条件下分别测试了这四种传感器对于丙酮、苯、无水乙醇的响应特征。测试结果表明，掺杂Pt能够显著提高SnO₂气体传感器的气敏性能，掺杂Pt比例越高电阻变化率差值越大。通过对传感器最适工作温度进行探究，发现测量气体种类不同时，传感器的最适工作温度也不相同，测量无水乙醇时最适工作温度在250℃附近，而测量丙酮时最适工作温度在300℃附近。

通过对传感器特征提取发现，运用采样-富集-反应的测试方法能够改善掺杂0%Pt的SnO₂气体传感器对苯的选择性，掺杂5%Pt的SnO₂气体传感器对无水乙醇具有选择性，将这两种传感器配合使用能够将苯、丙酮、无水乙醇三种气体区分出来。

关键词：气体传感器；掺杂；采样-富集-反应；选择性

Abstract

In this study, the gas sensing performance of nano-SnO₂ was improved by doping different ratios of Pt to nano-materials. The nano-SnO₂ gas sensor doped 0%,1%,5%,10% Pt was prepared via screen printing method. In the experiments, the gas sensor response characteristics were detected for acetone, benzene, ethanol by using a new kind of sampling-enrichment-reaction method under several different conditions. The final results prove that doping Pt can improve the sensing performance significantly, and the higher ratio of doped Pt ,the greater the difference in the rate of change of resistance . What's more, the gas sensor has different working temperature when detection different kinds of gases. When detecting ethanol, the optimal working temperature at 250℃, and working temperature will change to 300℃ when testing acetone.

Through the sensor feature extraction, The sampling-enrichment-reaction method can improve the selectivity of SnO₂ gas sensor doped 0%Pt for benzene, and the gas sensor doped 5%Pt is selectivity for ethanol. Three kinds of gas of benzene, acetone and ethanol can be distinguished by cooperating of this two sensors.

Key Words: gas sensor; doping; sampling-enrichment-reaction;selectivity

目 录

第1章 绪论 1

1.1气体传感器简介 1

1.2 MOS传感器 1

1.3 MOS传感器的工作原理 1

1.4 MOS气体传感器的检测方法与研究进展 2

1.5本文的研究内容与意义 3

1.5.1本文的研究内容 3

1.5.2本文的研究意义 4

第2章 实 验 5

2.1实验原料与仪器 5

2.1.1实验原料 5

2.1.2实验仪器 5

2.2实验流程 6

2.3传感器基片的制备 6

2.3.1掺杂Pt材料的制备 6

2.3.2传感器的制备 7

2.4传感器传感性能的测量 9

2.4.1传感器测试装置 9

2.4.2传感器测量步骤 10

2.5数据处理 10

第3章 实验结果与讨论 13

3.1 SEM分析 13

3.2掺杂对传感器性能的影响 14

3.3工作温度对传感器性能的影响 17

3.4气体浓度对传感器性能的影响 19

3.5气体种类对传感器性能的影响 21

第4章 结论 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1气体传感器简介

环境中待测气体的组成纷繁复杂而且其类别也存在较大的差异，以致于气体传感器的种类较多。因此，目前还没有一个准确的标准来对气体传感器进行分类^[1-2]。金属氧化物半导体（MOS）传感器是目前市场上使用较多的一种气体传感器。

MOS传感器是以SnO₂等电阻式金属氧化物为基底材料制成的半导体传感器^[2]。自从1962年，具有良好的气敏性能^[3]的MOS传感器被发现之后，MOS传感器逐渐进入传感器研究者的视眼。MOS传感器之所以能够从众多气体传感器中脱颖而出，并逐渐成为发展最为迅速、应用最为广泛的一种，主要是取决于其具有较高的灵敏度、响应迅速、操作简单方便、体积小、成本较低、恢复时间短、寿命长等多种优异特点^[4]。

1.2 MOS传感器

对于气体传感器的研究可以追溯到20世纪30年代，但是由于各方面技术的局限以及市场需求面较窄，那时候对于气体传感器的研究和开发工作仅仅是针对几种简单气体而言，例如石油气、天然气等。但是随着工业发展，产生了大量有毒气体，此时，气体的种类变得更加复杂而繁多，因此前期针对性比较强的MOS气体传感器已经无法满足需求。为了使气体检测、预报达到能够更高的精度，亟待对MOS气体传感器作进一步的研究、探索。

查阅近几年文献发现，目前，MOS传感器的发展状态主要是着重研究提高MOS的灵敏度和改善其选择性、稳定性^[2]。为了使MOS传感器能够达到预期的性能要求，目前主要的研究方向是对制备MOS传感器的材料进行改性。具体体现在两个方面：一方面是对MOS传感器的材料进行表面修饰来达到所需性能要求；另一方面是利用新材料制备技术将金属氧化物半导体材料制备成纳米材料或薄膜材料，这样能够控制材料的粒径以获得更高的比表面积，从而达到改善MOS传感器气敏性能的目的。

1.3 MOS传感器的工作原理

SnO₂气敏材料具有吸附作用和催化作用的双重效应，其属于表面控制型^[5]。如图1.1所示为表面吸附控制型MOS气体传感器工作示意图^[4]。表面吸附控制型的MOS气体传感器的敏感层表面上具有较多活性中心^[2]。当把MOS气体传感器置于空气中时，则空气中的氧被吸附在MOS表面上，并从其表面得到电子而形成吸附状态的、、，使得传感器敏感层的电导率下降^[2]，最终导致传感器的电阻增加。

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