基于检测甲烷气敏传感器的制备和研究

【摘要】：近年来,煤矿事故频发给矿工的生产生活带来了极大的灾难。瓦斯(主要成分为甲烷(CH_4))是煤矿安全生产的最大危害。要解决瓦斯突出及爆炸问题,必须加强对瓦斯的监测监控。目前,我国装备的煤矿安全监控系统大多采用热催化原理检测CH_4,但利用该原理制备的器件有结构复杂、功耗大、寿命短和稳定性差等缺点。而当前另一种相对比较成熟的检测方式――氧化物半导体气敏传感器也存在一致性和稳定性较差。本论文从气敏研究的三个主要方面(即材料、制备、器件)出发,朝着一致性、高灵敏、低功耗、小型化的方向对氧化物半导体气敏传感器和载体催化元件进行了研究。采用了X射线衍射、差热-热重、傅立叶红外光谱、扫描电镜、透射电镜等测试手段对气敏材料进行表征。考察了不同材料制备方法、煅烧温度、掺杂物及器件结构对性能的影响。 探索了双氧水和半透膜结合的新的无机盐溶胶-凝胶工艺方法制备纳米SnO_2气敏材料,该工艺方法可以控制胶凝过程,得到化学成分分布均匀,分散性好的SnO_2基气敏粉体材料,具有重复性强,一致性好、成本低廉的特点。确定600℃热处理1小时为SnO_2气敏材料理想的热处理温度。分别对SnO2进行了1.5%(wt%)PdCl2和5%(wt%)α-Fe_2O_3的掺杂。气敏性能测试表明,两种掺杂后制备的元件在2.5V加热电压下对5000 ppm的CH_4,灵敏度均接近5。分析后认为PdCl_2掺杂烧结后形成的PdO微晶表面的氧缺陷能够吸附更多的氧,产生溢流效应增加元件灵敏度; α-Fe_2O_3的掺杂能够抑制SnO_2的晶粒的长大,并利用本身的体电导气敏效应提高元件的性能。 在WO_3气敏材料方面,热分解法制备的晶形呈八角状γ-WO3材料对CH_4几乎没有气敏性能; 气相反应法制备晶形呈菱形八面体状的β-WO3和非晶态的混合物材料在加热电压为2.5V的条件下对5000ppm的CH4最高灵敏度可达2.6,对WO_3基半导体氧化物气敏材料检测CH4领域有指导意义。 基于赛贝克效应的启发,利用温差电动势的原理及催化剂对性能的影响,对载体催化元件进行简化和改进。设计出了一种全新结构的载体催化元件,它的特点是将两元件间的温差电动势的变化量作为衡量CH4气体浓度变化的标准,直接进行测试,有别于传统的利用电阻变化引起惠斯登电桥输出电动势变化的测试模式。新型的结构元件有高灵敏度、小型、简单、低耗等优点。 【关键词】：甲烷 氧化物半导体气敏传感器 二氧化锡 三氧化钨 载体催化元件
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要2-3
• 英文摘要3-8
• 第一章 引言8-11
• 第二章 文献综述11-28
• 2.1 甲烷气体传感器的检测机理和发展现状11-19
• 2.1.1 载体催化元件的检测机理和发展现状11-14
• 2.1.2 氧化物半导体气敏传感器的检测机理和发展现状14-16
• 2.1.3 红外光谱法检测甲烷传感器的发展现状16-17
• 2.1.4 吸收型光纤甲烷传感器的发展现状17-18
• 2.1.5 其它甲烷传感器的检测机理和发展现状18-19
• 2.2 氧化物半导体气敏传感器19-27
• 2.2.1 氧化物半导体气敏传感器的分类20
• 2.2.2 氧化物半导体气敏传感器的敏感机理20-21
• 2.2.3 主要氧化物半导体气敏材料21-24
• 2.2.3.1 SnO_2基气敏材料21-23
• 2.2.3.2 ZnO 基气敏材料23
• 2.2.3.3 WO_3基气敏材料23-24
• 2.2.3.4 Fe_2O_3基气敏材料24
• 2.2.4 氧化物半导体气敏材料的合成方法和性能改进24-27
• 2.2.4.1 氧化物半导体气敏材料的合成方法25-26
• 2.2.4.2 其它合成方法和发展趋势26-27
• 2.3 小结27-28
• 第三章 试验和研究方法28-40
• 3.1 氧化物半导体气敏材料的制备28-30
• 3.1.1 纳米SnO_2的制备28-29
• 3.1.2 SnO_2材料的掺杂和热处理29
• 3.1.3 纳米WO_3的制备29-30
• 3.2 气敏材料的表征30-31
• 3.2.1 X 射线衍射30-31
• 3.2.2 傅立叶红外光谱31
• 3.2.3 差热-热重分析31
• 3.2.4 扫描电镜分析31
• 3.2.5 透射电镜及电子衍射和能谱分析31
• 3.3 氧化物半导体气敏传感元件制备和性能测试31-36
• 3.3.1 氧化物半导体气敏传感元件的结构31-32
• 3.3.2 气敏元件的制备工艺32-33
• 3.3.3 气敏传感元件的主要特性参数33-35
• 3.3.4 测试方式35-36
• 3.4 载体催化元件的制备和结构性能测试36-40
• 3.4.1 载体催化材料的制备36
• 3.4.2 载体催化法的器件结构和测试36-38
• 3.4.3 新设计的器件结构38-40
• 第四章 SnO_2气敏材料的气敏特性和表征40-57
• 4.1 SnO_2基气敏材料的分析40-48
• 4.1.1 X 射线衍射(XRD)物相分析40-41
• 4.1.2 TG 与DTA 分析41-42
• 4.1.3 FR-IR 分析42-43
• 4.1.4 扫描电镜(SEM)分析43-46
• 4.1.5 透射电镜分析46-48
• 4.2 SnO_2基气敏元件性能分析48-55
• 4.2.1 元件的气敏性能指标48-50
• 4.2.2 不同工艺对元件气敏性能的影响50-55
• 4.2.2.1 热处理温度对元件性能的影响50-53
• 4.2.2.2 掺杂对元件性能的影响53-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 WO_3气敏材料的气敏特性和表征57-64
• 5.1 WO_3元件气敏性能指标57-58
• 5.2 WO_3气敏材料分析58-62
• 5.2.1 X 射线衍射(XRD)物相分析58-59
• 5.2.2 TG 与DTA 分析59-60
• 5.2.3 扫描电镜(SEM)分析60-61
• 5.2.4 透射电镜分析61-62
• 5.3 本章小结62-64
• 第六章 载体催化元件新结构的研究64-73
• 6.1 载体催化元件基材分析64-65
• 6.2 温差电动势原理和赛贝克效应65-67
• 6.3 新设计的器件结构67-68
• 6.4 新的结构器件性能测试68-71
• 6.5 本章小结71-73
• 结论73-74
• 参考文献74-81
• 致谢81-82
• 个人简历82-83
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文83

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

快速热退火对纳米晶粒SnO_2薄膜性质的影响    秦苏梅;童梓洋;邓红梅;杨平雄;

瓦斯敏感薄膜的制备及气敏特性研究    胡恒波

实验室气敏测试系统的组建与半导体气敏材料研究    姚爽

甲烷浓度检测新方法的研究    郭芬

纳米ZnO甲烷传感器的制备及性能研究    田守勤

氧化锡甲烷传感器的研究    易家保

光纤光栅调制式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,刘瑾,杨海马

纳米WO_3-ZnS系H_2S气敏元件的研究    黄世震,林伟,陈伟,陈知前

甲烷催化元件输出漂移的原因分析与对策    刘建周,徐正新,刘凤丽

常温振荡式CO气敏元件的研制    孙良彦，刘正绣

纳米尺度下钯元素的催化效应及气敏机理    惠春,徐爱兰,陈寿田

二氧化锡纳米粉掺杂及其显微结构    王元生,杨裕民,黄兆新

光纤瓦斯气体传感器的发展    蒋继平

提高甲烷载体催化元件灵敏度的研究    朱正和

黑黑元件的研究    朱正和

光谱吸收式光纤气体传感器分辨率研究    李双喜;

典型镍酸盐系列复合氧化物研究进展    李强;杜卫民;

纳米氧化锌的制备及其应用    闫晓燕,卫英慧,胡兰青,许并社

传动轴用高强度马氏体钢的疲劳性能    刘孝红;王毛球;董瀚;华文杰;徐存英;

一种反应式破片压缩断裂方式研究    陈伟;梁栋;赵文天;葛文艳;

涡轮LP-MOCVD研制高亮度红光发光二极管    邓云龙,范广涵,廖常俊,刘颂豪,文尚胜,刘鹏,王浩,曹明德,刘鲁

内调制光电探测器特性的模拟与实验分析    邱家威,黄启俊,吴凡,熊力嘉,常胜,戴峰,何民才

InGaN/GaN多量子阱蓝光LED电学特性研究    刘诗文;郭霞;艾伟伟;宋颖娉;顾晓玲;张蕾;沈光地;

p-CZT的钝化处理和C-V特性研究    李强;介万奇;付莉;汪晓芹;查刚强;杨戈;

多孔阳极氧化铝薄膜的结构和特性    闫金良;

电化学传感器的研究和进展    郭萌;姚素薇;张卫国;张莹;

矿井瓦斯抽采系统可靠性的模糊综合评价    李延辉;张玉通;魏引尚;

光学式低浓度甲烷气体传感器的研究    王琢;曹家年;张可可;冯琳琳;

Zr-4管收缩系数CSR的测量    许飞;刘竞艳;石科学;

薄膜电阻器件的低频噪声测试方法研究    吴勇;庄奕琪;杜磊;魏文彦;

7A60模锻件KIc测试研究    肖凯业;郑晓静;

从日产16吨玻璃全电熔窑谈我国玻璃电熔技术的几点改进与发展    宁伟;顾一泓;刘远玉;路飞;庞宝仁;汪庆卫;

多弧离子镀制备TiN-Cu共沉积复合膜的研究    穆静静;王从曾;王国刚;马捷;郑国龙;

MOD工艺在Ag基带上制备YBCO薄膜烧结气氛的探讨    董杰;刘敏;赵跃;刘星;刘丹敏;索红莉;周美玲;

CeO_2掺杂对二氧化锡电极力学性能的影响    汪庆卫;宁伟;顾一泓;蒋守宏;

钙钛矿型氧化物薄膜的激光感生热电电压效应及光探测器应用    熊飞

新型NZP族催化剂载体材料的合成及应用研究    祝琳华

Bi_2Te_3体系的材料制备、晶体结构及热电性能    王晓琳

金属氧化物纳米材料的液相合成研究    宋运涛

镍、铝化合物微纳材料的溶剂热合成研究    梁慧

碳纳米纤维的高温转变及其同质异构结的特性研究    祁祥

ECAP挤压亚共晶Al-Mg_2Si原位复合材料强韧化研究    边丽萍

反型聚合物太阳能电池的研究    李福民

大功率LED模块温度湿度加速寿命试验研究    张芹

水热法制备微/纳米结构WO_3及其气敏与光电性能的研究    闫爱华

在线式瓦斯监测系统    陈洋

智能瓦斯传感器的研制    滕景忠

近红外光纤甲烷气体检测系统方案设计与实现    石建中

SiC MOS界面特性的电导法研究    李林茂

SnO_2基陶瓷半导体热电材料的研究及制备    曹恒淇

铝离子掺杂氧化锌薄膜的溶胶—凝胶法制备及性能    贾波

BDT铁电薄膜和ZnO纳米带压电性能的测试与表征    荣英凤

DHA衍生物及铜锌氧化物的合成与性质研究    陈云涛

W丝/Zr基非晶复合材料的力学性能    汪海锋

便携式甲烷气体检测仪    刘飞

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

高纯气体中微量一氧化碳、甲烷、二氧化碳的气相色谱测定    刘义民,周荣琪

金属氧化物气敏传感器(Ⅰ)    徐毓龙,G.Heiland

金属氧化物气敏传感器(Ⅱ)    徐毓龙,G.Heiland

气敏传感器线性化电路的设计    王彩君,吴兴惠,张硕,王毓德

金属氧化物气敏传感器(V)    徐毓龙,G.Heiland

金属氧化物气敏传感器(Ⅵ)    徐毓龙,G.Heiland

氧化锡甲烷传感器的研究    易家保

碳纳米管及其修饰物对挥发性有机物气敏性的研究    方向生;郭淼;陈文菊;潘敏;陈裕泉;张孝彬;

差分吸收式光纤甲烷传感器的研究    王玉田,郭廷荣,王莉田,侯培国

微结构气敏传感器与电子鼻研究    李建平

氧化物多孔纳米固体气敏传感器的研究    徐红燕

氧化物纳米材料的合成、结构与气敏特性研究    徐甲强

平面旁热式甲烷气敏元件的研制    王利伟

气敏元件测试系统的研究与设计    陈冰峰

基于塞贝克效应的气敏传感器的研制    余华梁

金属氧化物气敏材料制备与气敏性能研究    田俊峰

甲醛气敏元件研制及灵敏度特性研究    吴娜

镍、氧化镍及氢氧化镍纳米材料的制备和表征    张小细

半导体金属氧化物纳米材料的固相合成及其气敏性能的研究    孙志鹏

氨敏薄膜的制备及特性研究    赵明静

基于USB的气敏元件测试系统的设计与开发    王法秀

四针状纳米ZnO的烧结行为及其对气敏、光学性能影响的研究    郭幸

二维非线性梯度折射率介质的热辐射特性研究    黄勇;王浚;

直流磁控溅射制备SnO_2薄膜的阻变特性研究    刘宝营;张群;

纳米硅薄膜冷阴极研究进展    贺芳;胡文波;

聚苯胺微/纳米材料的制备及其性质研究    高雨

SnO_2基材料的合成及性质研究    秦苏梅

薄膜太阳能电池窗口材料SnO_2的PECVD制备及其性能研究    罗志清

SnO_2甲烷气体传感器的优化设计与试制    宋毅华

高精度气敏特性测试系统的研制    王冠男

非水体系下聚苯胺纳米结构的合成及气敏性质研究    张莉

直流磁控溅射法制备氧化锡薄膜阻变存储器的研究    刘宝营

基于ARM的气体敏感材料测试系统的设计    王锐

硅基微结构气体传感器的设计及特性研究    马晓康

利用磁控溅射及热蒸发制备SnO_2纳米材料及结构表征    张晓森

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

实现气敏元件灵敏度倍增的一种方法    吴兴惠，李艳峰，周桢来，田子华

煤矿安全信息共享与网络决策平台研究    刘桥喜,毛善君,马蔼乃

螯合物分解法制备ZnO微粉    赵振国,丁丁,程虎民,马季铭,齐利民

粉末WO_3烧结体气敏特性的研究    吴兴惠,陈占先,李艳峰,周帧来

NO_2高选择性气敏元件及其表面修饰    黄忠宇,孙良彦,平田光寿

SnO_2超微粉的合成及其特性研究    周歧发,林光明,张进修

γ—Fe_2O_3的CO气敏特性的研究    吴家琨,孙良彦

γ一Fe_2O_3气敏材料的制备及掺杂研究    王金忠,吴家琨,孙良彦,童玲平

高选择性γ-Fe_2O_3LPG元件的研制    王金忠,吴家琨,孙良彦

金属氧化物半导体气敏传感器的研究和开发进展    蔡晔,葛忠华,陈银飞

半导体陶瓷型薄膜气敏传感器的研究进展    杨志华,余萍,肖定全

化学气体信号的实时检测及处理    贾金玲

场效应气敏传感器的研究进展    田敬民

用非加热式气敏传感器的有毒气体报警器    宿元斌;

气敏传感器集成化的研究    林海安,吴冲若

CuO－SnO_2半导体陶瓷气敏机理研究    周晓华，徐毓龙，曹全喜

亚硝酸钠沸石NO_2气敏传感器的研究    江妙瑞;M.T.Weller;全志敏;

一种适合于电容式气敏传感器的加热膜    

气敏传感器    高国伟

掺杂SnO_2气敏传感器的研究进展    杨华明;敖伟琴;张向超;张科;

一种基于随机共振的气敏传感器检测系统的研究    吴莉莉;李鑫;惠国华;潘敏;陈裕泉;

掺杂聚苯胺自组装超薄NO_2气敏传感器研究    蒋亚东;王涛;李丹;

烧结温度对Nb_2O_5材料点阵参数与气敏特性的影响    王毓德;周桢来;吴兴惠;

一种光催化TiO2膜的阻抗特性及应用    张琦;董永贵;盛国俊;

自支撑单壁碳纳米管超薄膜的制备及其柔性气敏传感器    王学文;李光辉;张珽;

基于单根氧化物纳米线的高性能气敏传感器研究    程纲;王理想;武兴会;杜祖亮;

气流喷打印技术制备功能化碳纳米管气敏传感器    刘瑞;丁海燕;林剑;张珽;

电子鼻特征参数优化与识别比较    郑丽敏;闫鹏程;朱虹;吴平;芦筱菲;黄品文;贾宗艳;白福铭;任发政;

氧化钛锡复合纳米粉的制备及其气敏性    宋文龙;郑聚成;陈高峰;何芳远;林志东;

气敏传感器简介    重庆 潘建

新型传感器可通过呼吸或尿液检测疾病    未艾

“嗅”出分子的差异    本报驻美国记者 毛黎

全自动抽油烟机控制电路    辽宁 车全阔

这种传感器能耐忒大    赵亚萍

中科昆山高科技产业园特色产品闯世界    过国忠 费文隽 朱绿萍

香气质量定性分析有“高手”    姚燕燕

谈谈可燃性气体检测报警装置    吴琼

九寨沟装上“智慧芯片”    本报记者 罗尧

多孔硅基复合薄膜气敏传感器的研究    孙鹏

微结构气敏传感器与电子鼻研究    李建平

纳米材料敏感/增强的QCM气敏和生物传感器的研究    丁鹏飞

基于纳米分子筛和碳黑聚合物敏感膜的气敏传感器研究    谢海芬

SnO_2基气敏传感器的制备与研究    王康

ZnO纳米颗粒气敏性能的研究    汤会香

纳米碳管气敏传感器及随机共振检测系统的研究    吴莉莉

基于随机共振和定向多壁纳米碳管气敏传感器阵列的SF_6气体检测系统的研究    惠国华

基于导电聚合物的QCM气敏传感器研究    郑俊褒

电子鼻长期漂移抑制算法的研究    刘涛

基于电化学原理的气敏传感器的系统设计    牛坤

掺杂对金属氧化物气敏传感器气敏性能的影响    孙迎伟

碳纳米管气敏传感器微电极的制备与检测    冉祥涛

基于多孔氧化钨微阵列薄膜的气敏传感器性能研究    沈万江

基于三维介孔结构氧化钨的气敏传感器性能研究    王飞

碳纳米管基气敏传感器检测室内甲醛研究    费跃

MOS气敏传感器的制备及棉花模板WO_3的应用研究    周志刚

WO_3多孔膜微结构参数的提取及其对苯系物的选择性研究    詹成勇

多孔硅气敏传感器NO_2气敏性能改进研究    陈慧卿

有序多孔硅基氧化钨薄膜复合结构气敏性能研究    刘青林