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1、第七章 新型气体传感器及阵列,7.1 概 述 7.2 新型气体传感器,目 录,7.1 概 述,7.1.1 气体传感器及气体检测方法 7.1.2 气体传感器的分类,7.1.1 气体传感器及气体检测方法,A. 概 念 B.气体传感器必须满足的条件 C. 当前使用的主要气体检测方法,A. 气体传感器定义,气体传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。,B. 气体传感器必须满足下列条件,(1) 能够检测爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度相 其它基准设定浓度并能及时结出报警、显示和控制信号； (2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感； (3) 性能长期稳定性好； (4
2、) 响应迅速、重复性好； (5) 维护方便、价格便宜，等。,C. 各种检测方法的选择问题,一般情况下，要检测的气体种类是已知的，因此，检测方法的选择范围自然就缩小了。 另外，传感器使用场所以现场和密闭环境为主，只是在选择标准方面有些不同。,7.1.2 气体传感器的分类,气体传感器从结构上区别可分为两大类： （1）干式气体传感器 （2）湿式气体传感器 凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器； 凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传感器。,气敏元件,干式,湿式,接触燃烧式,固体电介质式（ZrO2）,红外线吸收式,导热率变化式（热线，热敏电阻）,以固定电位电解式为代表 （极谱式
3、，原电池式）,7.2 新型气体传感器,7.2.1 聚苯胺复合薄膜气体传感器的制备及特性研究 7.2.2 有机薄膜晶体管气体传感器的制备及特性研究 7.2.3 质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究 7.2.4 MEMS气体传感器,7.2.1 聚苯胺复合薄膜气体传感器的制备及特性研究,谢光忠,主要内容,第一章 相关背景简介及课题研究内容 第二章 器件结构选择及气敏测试系统组建 第三章 PANI及PANI/TiO2敏感薄膜的制备、 表征及气敏特性的研究 第四章 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB薄 膜的制备、表征及气敏特性的研究,1.1 课题的来源及意义,课题的来源 本课题来源于国家
4、杰出青年科学基金传感技术及其系统(60425101)项目。 课题的意义 进行环境监测 保证人们的健康和生活,高分子电阻式气体传感器 浓差电池式气体传感器 声表面波式气体传感器 石英谐振子式气体传感器,1.2 气体传感器的研究现状,1.3 本课题的研究内容,薄膜表征,器件制备,气敏特性测试,NH3气敏特性,CO气敏特性,SEM分析,PANI/SnO2,PANI/TiO2,质子酸掺杂剂,表面活性剂,不同聚合温度,理论研究,查阅文献,材料选择,器件设计,结果分析,实验内容,PANI及PANI/TiO2,主要内容,第一章 相关背景简介及论文主要工作 第二章 器件结构选择及气敏测试系统组建 第三章 PA
5、NI及PANI/TiO2敏感薄膜的制备、表征及气敏特性的研究 第四章 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB薄 膜的制备、表征及气敏特性的研究 第五章 实验结论与工作展望,气体传感器的信号检出元件有两大类： (1)电学器件 平面叉指电极(IDE) 场效应管(MOSFET) (2)声学器件 声表面波器件(SAW),2.1 器件结构设计,2.1 器件结构设计,平面叉指电极结构,2.2 气敏测试系统的组建,2.3 气体传感器的主要特性参数,(1)器件电阻R0和RS (2)相对灵敏度S (3)响应时间T1及恢复时间T2 (4)重复性及稳定性 (5)选择性,主要内容,第一章 相关背景简介及论文
6、主要工作 第二章 器件结构选择及气敏测试系统组建 第三章 PANI及PANI/TiO2敏感薄膜的制备、表征及气敏特性的研究 第四章 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB薄 膜的制备、表征及气敏特性的研究 第五章 实验结论与工作展望,(1)基片预处理 (2) 薄膜的制备,3.1 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜的制备,PSS溶液,1%的PDDA水溶液,平面叉指电极,3.2 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜的表征,PANI/TiO2和PANI敏感薄膜的SEM分析,3.2 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜的表征,PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜紫外可见光谱分析,掺杂态
7、聚苯胺一般有 三个特征峰, - *跃迁,极子带 - *跃迁, - 极子带跃迁,3.2 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜的表征,PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜红外光谱分析,PANI/TiO2复合薄膜,PANI薄膜,与纯PANI相比，PANI/TiO2纳米复合材料的红外光谱略向低波数移动,3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜传感器对NH3响应恢复特性,PANI/TiO2复合薄膜传感器,PANI薄膜传感器,3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜传感器对不同浓度NH3
8、的灵敏度比较 PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜传感器对不同浓度NH3气体的响应时间（T1）及恢复时间（T2）,PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜传感器对NH3重复性,3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,PANI/TiO2复合薄膜传感器,PANI薄膜传感器,PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度CO的响应恢复特性(a) PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜传感器对不同浓度CO的灵敏度比较(b),3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,(a),(b),PANI/TiO2复合薄膜传感器对23ppmCO重复性(a) PANI/TiO2复合薄
9、膜传感器对NH3和CO的灵敏度比较，如图(b),3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,(a),(b),PANI/TiO2复合薄膜温度特性 60下，PANI/TiO2复合薄膜对不同浓度NH3气体的响应恢复特性 (a) 室温下和60下，PANI/TiO2复合薄膜对不同浓度NH3气体的灵敏度比较 (b),3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,(a),(b),(2) PANI/TiO2复合薄膜湿度特性 室温下PANI/TiO2复合薄膜气体传感器的湿度特性,3.3 PANI/TiO2和PANI敏感薄膜气敏特性研究,灵敏度随着湿度的增加而减小,3.4 HCl和PTS
10、A掺杂PANI/TiO2复合薄膜表征,HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜的SEM分析,HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3响应恢复特性,3.5 HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,HCl掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器,PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器,3.5 HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度NH3的敏感特性 HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度NH3气体的响应时间（T1）及恢复时间（T2 ）,HCl和PTS
11、A掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3重复性,3.5 HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,HCl掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器,PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器,HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3稳定性,3.5 HCl和PTSA掺杂PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,3.6 不同聚合温度PANI/TiO2复合薄膜表征,不同聚合温度下HCl掺杂PANI/TiO2复合薄膜的SEM分析,3.7 不同聚合温度PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,不同聚合温度下PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3响应恢复特性,0,10,20
12、,3.7 不同聚合温度PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,不同聚合温度下PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度NH3的灵敏度比较 不同聚合温度下PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度NH3的响应时间（T1）及恢复时间（T2）,10 下PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3重复性(a) 10 和25 下PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3的稳定性(b),3.7 不同聚合温度PANI/TiO2复合膜气敏特性研究,(a),(b),主要内容,第一章 相关背景简介及论文主要工作 第二章 器件结构选择及气敏测试系统组建 第三章 PANI及PANI/TiO2敏感薄膜的制备、表征及气敏特性的研
13、究 第四章 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB薄 膜的制备、表征及气敏特性的研究 第五章 实验结论与工作展望,PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜的SEM分析,4.1 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜的表征,PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜的紫外可见光谱分析,4.1 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合膜的表征,PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜气体传感器对NH3响应恢复特性,4.2 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合膜气敏特性研究,PANI/SnO2复合薄
14、膜传感器,PANI/SnO2-TTAB复合薄膜传感器,4.2 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合膜气敏特性研究,PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜气体传感器对不同浓度NH3的灵敏度比较 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜传感器对不同浓度NH3的响应时间（T1）及恢复时间（T2）,PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合薄膜传感器对23ppmCO的响应恢复特性,4.2 PANI/SnO2和PANI/SnO2-TTAB复合膜气敏特性研究,PANI/SnO2复合薄膜传感器,PANI/SnO2-TTAB复合薄膜传感器,通过对所制
15、备的薄膜表征分析，获得了具有纳米结构的薄膜，薄膜表面均匀平整 室温条件下PANI/TiO2传感器对NH3的灵敏度、响应恢复时间以及重复性，均优于PANI传感器的测试值 质子酸掺杂剂和聚合温度对PANI/TiO2薄膜传感器气敏氨敏特性有一定的影响 表面活性剂对PANI复合薄膜也有一定的影响,实验结论,7.2.2 有机薄膜晶体管气体传感器的制备及特性研究,谢光忠,主要内容,研究意义 OTFT制备及原理 OTFT电学特性研究及优化 OTFT传感器气敏特性测试 结论与展望,研究意义,选题依据 研究现状 创新点,选题依据,阵列式传感器,集成化,微型化,气敏材料种类多,人工神经网络,定性定量分析,OTFT
16、气体传感器,多参数传感器 体导电率、二维场致电导率、 VT、FET 灵敏度可调 Vgs S 高电阻 检测电流变化 柔性全有机OTFT,并五苯OTFT阵列,研究现状,1987年 H. Laurs OTFT气体传感器概念 L.Torsi 2000年 一定进展,Poly DPOT OTFT-30ppm 乙醇,Poly DPOT-TFT-700ppm正己醇,并五苯OTFT-湿度,CuPc-TFT-正戊醇,创新点 国外-逐步探索阶段 国内-研究较少 中科院 刘云圻,OTFT制备及原理,原理,积累模式,耗尽模式,平衡态,P沟道增强型OTFT,空穴S D IDS,漂移、跃迁,遂穿,器件制备 结构,基本结构,底栅底接触结构,适合作气体传感器,器件参数,L=10m W=2 mm,W/L=20
