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(gè)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(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別技術(shù)對其響應(yīng)輸出譜進(jìn)行分析，就可以實(shí)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(yīng)用的電子鼻就是在此基礎(chǔ)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(shí)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(yàn)等方面有很重要的應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)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(fù)合薄膜、通過摻雜誘導(dǎo)自組裝工藝制備了納米金基底，并進(jìn)一步制備了聚苯胺/聚苯乙烯磺酸摻雜自組裝復(fù)合膜。其次，率先設(shè)計(jì)了電子聚合物化學(xué)場效應(yīng)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(fù)合膜的氣體傳感器陣列的敏感特性進(jìn)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(jìn)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(shí)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(dǎo)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(jìn)一步制備了聚苯胺/聚苯乙烯磺酸摻雜自組裝復(fù)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(shí)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(dá)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(gè)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(fù)合薄膜，并對摻雜前后薄膜的性能進(jìn)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(shí)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(fù)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(yīng)和恢復(fù)隨NH3濃度的增加迅速增大，而TCNQ摻雜的PMMA旋涂薄膜的響應(yīng)不穩(wěn)定。旋涂制備的SnPc與PMMA復(fù)合薄膜對NO2具有良好的敏感性，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間較快，達(dá)到10秒左右，具

7、有實(shí)用價(jià)值，但恢復(fù)時(shí)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(yīng)時(shí)間相對較慢，而且恢復(fù)時(shí)間很長。 4.率先設(shè)計(jì)并研制出了化學(xué)場效應(yīng)管型氣體傳感器陣列，并對其主要工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。氣敏測試表明，本文設(shè)計(jì)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(fù)性和響應(yīng)時(shí)間(開關(guān)特性)均優(yōu)于課題組初期設(shè)計(jì)的槽柵型化學(xué)場效應(yīng)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(yīng)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(guān)系，且隨膜層增大，器件輸出響應(yīng)在低濃度時(shí)靈敏度降低，在高濃度時(shí)靈敏度增加。氣敏輸出響應(yīng)隨氣體濃度增大而指數(shù)增大，到一定濃度達(dá)到最大值，隨后出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)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(yīng)成線性關(guān)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(yīng)向量，就

9、可以實(shí)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(chǔ)，這對國民生產(chǎn)和軍事國防都有重要意義。 5.運(yùn)用MATLAB設(shè)計(jì)了適用于線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到了具有較大工程應(yīng)用價(jià)值的階段性成果。本論文運(yùn)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(luò)的訓(xùn)練速度，使網(wǎng)絡(luò)的推廣能力大大提高，為氣體傳感器陣列的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。研究表明，本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有