物联网-智慧交通-SnO2基热线型气体传感器抗湿性能研究.pdf
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2022-06-29
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摘要
I
摘要
随着人们生活水平的提高，人们对传感器提出了响应更精准、性能更优良
等更高的要求。由于气体传感器长期暴露在大气环境中，环境湿度的变化对其
产生较大影响，而如何提高气体传感器的抗湿度干扰能力一直以来是该研究领
域的难题之一。本文利用热线型气体传感器的特殊结构，就如何提高 SnO
2
基热
线型气体传感器的响应值和抗湿度干扰能力开展研究。通过硝酸氧化法和共沉
淀法制备了纯 SnO
2
气敏材料及其它金属及非金属元素掺杂的 SnO
2
基复合材料，
采用 FT-IR、XRD 及 SEM 等方法表征了纯 SnO
2
及其复合材料的结构和形貌。
最后利用制得的复合材料对制备的 SnO
2
基热线型气体传感器进行气敏性能和抗
湿性能测试，并根据热线型气体传感器的结构和实验结果分析，讨论了传感器
的气敏机理和抗湿机理，研究内容如下：
采用硝酸氧化法和化学共沉淀法制备了纯 SnO
2
和 Sb 掺杂的 SnO
2
（ATO）
气敏材料，并对材料做了 FT-IR、XRD 及 SEM 等表征，对比分析可知，6% Sb
的掺杂并没有使 SnO
2
材料产生新的晶相，依然为球状的四方金红石结构。对制
备的 SnO
2
基热线型气体传感器的敏感元件材料优化结构表明，敏感元件材料选
用 6% ATO 时传感器的响应值最高为 435 mV。当补偿元件材料分别选用 Al
2
O
3
和 SnO
2
时，传感器对 1000 ppm H
2
的响应值和抗湿性有较大区别。其中，补偿
元件材料为 SnO
2
时，由于敏感元件和补偿元件为同 SnO
2
基材料，传感器对 H
2
的响应值由 435 mV 降低到 170 mV；但正因为两种元件为同基体材料，相对湿
度在 20%-90%间变化时，传感器才表现出了良好的抗湿度干扰能力，湿度引起
的响应值的相对偏差由±14.0%降低到±7.3%。
为了改善由于补偿元件材料被 SnO
2
替换后传感器响应值降低的情况，本文
在分析热线型气体传感器的特殊结构以及气敏机理的基础上，在保证良好抗湿
性的条件下，对补偿元件材料做了掺杂改性，以提高传感器的响应值。采用化
学共沉淀法制备了 Zn、Mg、Cu 和 Si 的不同掺杂比例的 SnO
2
基复合材料，并
对复合材料做 FT-IR、XRD 及 SEM 等表征。结果显示，与纯 SnO
2
材料相比，
5% Zn、2% Mg、0.8% Cu 和 0.7% Si 掺杂的 SnO
2
基复合材料并未产生新的晶相，
均为四方金红石结构，其形貌均为球状。对制备的 SnO
2
基热线型气体传感器进
万方数据
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