基于纳米ZnO气体传感器阵列的乙醇丙酮苯甲苯二甲苯的识别研究
基于金纳米颗粒的化学电阻传感器检测苯类气体
基于金纳米颗粒的化学电阻传感器检测苯类气体
唐嫒尧;李鑫;李明虓;程洁;黄成军
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】为提高气体传感器对苯系物的选择性,文中通过Au-S键的自组装作用和滴铸法制备了4-甲氧基苄硫醇(MTT)修饰的金纳米颗粒(AuNPs)化学电阻传感器,用扫描电子显微镜(SEM)对其微观形貌进行了表征。
设计了气体检测平台和数据采集系统,并对传感器的气敏性能进行了检测,结果显示:基于MTT功能化的AuNPs 化学电阻传感器对苯类气体(甲苯、苯甲醛等)具有明显的吸附选择性,在室温条件下,可对体积分数低至5×10^(-8)的甲苯/苯甲醛气体产生响应,灵敏度分别为
5.06×10^(-3)和3.46×10^(-3),响应/恢复时间随被测气体体积分数的增大逐渐减小,平均响应/恢复时间为(80.0±17.3)s/(117.1±30.0)s。
【总页数】8页(P11-18)
【作者】唐嫒尧;李鑫;李明虓;程洁;黄成军
【作者单位】中国科学院微电子研究所健康电子研发中心;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH89;TH704
【相关文献】
1.基于碳纳米管-纳米金甲醛气体电化学传感器的研究
2.基于纳米金颗粒放大的电化学传感器用于三聚氰胺的检测
3.基于DNA电化学发光传感器研究金纳米颗粒对
量子点的电化学发光影响4.基于金-铂纳米颗粒修饰的碳纳米管构建免标记电化学免疫传感器用于CEA检测5.基于还原氧化石墨烯/碳纳米管-纳米金复合纳米材料的阻抗型电化学适配体传感器检测铜绿假单胞菌
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于氧化锌纳米结构的光激发型气体传感器研究
基于氧化锌纳米结构的光激发型气体传感器研究近年来,气体传感器在大气质量监测、食品安全管理、家居智能控制、医疗健康诊断等方面展现了良好的应用前景。
新型气体传感器的研究和开发工作也显得日益迫切,受到了广泛的关注。
半导体氧化物气体传感器由于其全固态、结构简单、成本低、小尺寸、性能可调等优点,是气体传感器研究领域的前沿方向和研究热点。
目前,半导体氧化物气体传感器仍然以热激发为主,具备优异气敏性能的同时也会造成稳定性不足以及一些安全隐患,并且不利于气体传感器在可穿戴设备上的应用,急需开展低温或室温型传感器研究。
ZnO（CY-J30）具有优异的物理、化学以及光学特性,已经成为一种重要的敏感材料。
本文以ZnO（CY-J30）为基体,以光激发代替热激发实现传感器室温工作。
通过纳米结构调控以及异质掺杂/修饰/复合的方式改善传感器性能。
具体内容如下:由于贵金属负载是常见的改善半导体氧化物气敏性能和降低最佳工作温度的方法,本文首先通过溶剂热法制备了Au纳米颗粒负载ZnO（CY-J30）纳米棒的传感材料。
气敏测试结果表明,2mol%Au负载后大幅度提高了ZnO（CY-J30）纳米棒对正戊醇的响应,在260℃时对4ppm正戊醇的响应达到71.8,响应时间为1 s,而且,还具有优异的稳定性、选择性和耐湿性。
虽然通过Au负载有效地提高了ZnO（CY-J30）纳米棒的气敏响应,但是并不能降低传感器的最佳工作温度。
因此,后续的研究致力于使用光激发的方法开发室温气体传感器。
光激发可以活化敏感材料表面、提高载流子浓度、降低其初始电阻,已经被报导可以实现传感器室温工作,但是传感器仍然存在灵敏度低、响应恢复速度慢等问题。
同时比较比较了ZnO（CY-J30）纳米棒、纳米球、纳米花等不同低维纳米结构与气敏性能的关系,并进行了敏感机理分析，发现一维纳米结构与零维纳米粒子结合,能够提高传感器灵敏度的同时也获得快速的响应恢复速度。
基于纳米材料的气体传感器的研究进展
２ ０ １ ３年 第 ３ ２卷 第 ５期
？＼ 、
传感器与微 系统 （ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｍｉ ｅ ｒ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ）
综述 与评 论
、 ｝
基 于纳 米 材 料 的气 体 传 感 器 的研 究进 展
张 小秋 ，汪元 元 ，张 柯 ， 何 丹农 ，
（ １ ． 上海交通大学 材料科 学与工程学院 。 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ； ２ ． 上海 纳米 技术及应 用国家工程研究 中心 。 上海 ２ ０ ０ ２ ４ １ ）
《ZnO及ZnO-石墨烯复合材料气敏性能研究》范文
《ZnO及ZnO-石墨烯复合材料气敏性能研究》篇一ZnO及ZnO-石墨烯复合材料气敏性能研究摘要：本文重点研究了氧化锌（ZnO）及其与石墨烯复合材料的气敏性能。
通过制备不同比例的ZnO/石墨烯复合材料，分析其气敏传感性能的优化过程及原理。
本论文的研究旨在揭示ZnO基复合材料在气体传感领域的应用潜力，为未来气敏传感器件的研发提供理论依据。
一、引言随着科技的不断发展，气体传感器在环境监测、工业安全和智能生活等领域得到了广泛应用。
其中，ZnO因其良好的物理化学性质，被广泛应用于气敏传感器件中。
然而，单纯的ZnO气敏传感器仍存在响应速度慢、灵敏度低等缺点。
因此，将ZnO与具有高导电性的石墨烯材料复合，以提高其气敏性能成为研究热点。
二、材料制备与表征1. 材料制备本实验采用溶胶-凝胶法结合热处理工艺制备了不同比例的ZnO/石墨烯复合材料。
通过调整石墨烯的掺杂比例，获得了不同组分的复合材料。
2. 材料表征利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱等手段对所制备的ZnO及ZnO/石墨烯复合材料进行表征，分析其晶体结构、形貌和成分。
三、气敏性能测试1. 测试方法采用静态配气法对所制备的ZnO及ZnO/石墨烯复合材料进行气敏性能测试。
在室温下，向测试腔中注入不同浓度的目标气体（如乙醇、甲醛等），记录传感器件的电阻变化。
2. 测试结果与分析实验结果表明，ZnO/石墨烯复合材料的气敏性能明显优于纯ZnO。
随着石墨烯掺杂比例的增加，复合材料的响应速度和灵敏度均有所提高。
此外，复合材料还表现出良好的选择性和稳定性。
四、气敏性能优化原理1. 石墨烯的作用石墨烯的高导电性和大比表面积有助于提高ZnO基复合材料的气敏性能。
石墨烯的掺杂能够增强材料的电子传输能力，提高传感器件的响应速度。
同时，石墨烯的引入增大了材料的比表面积，有利于气体分子的吸附和脱附。
2. 晶体结构与气敏性能的关系ZnO的晶体结构对其气敏性能具有重要影响。
纳米ZnO传感阵列对多组份气体的智能识别
西
安
工
业
大
学
学
报
Ｖｏ ０ Ｎｏ ２ Ｌ３ ．
Ａｐ ． ２ １ ｒ ００
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ’ｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ａ ｆｘｉａ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌＵｎｖ ｒｉｙ
文 章编 号 ： １ ７ —９ ５ ２ １ ） ２１ １０ ６ ３９ ６ （０ ０ ０ — ７ —４
要组 成部 分 ， 属 于易燃 易爆 气体 ． 时 、 都 及 准确 地 对
它们 进行 监测 、 预报 和 自动 控 制 已 经成 为 能 源 （ 如
煤炭、 石油 ）化 工 、 、 电力 等 部 门迫 切 需 要 解 决 的 重
要课 题 ． 一
以氩气 为保 护气 体 ， 气 为 反应 气 体 ， 应 完 全后 氧 反
以及 不 同 掺 杂 （ 、 Ａ１Ａｇ和 Ｎｉ 的 Ｚ Ｏ 纳 米 线 的 ） ｎ
各种 气体 ｌ ］ 目前 对 其 气 敏 性 能 的研 究 多集 中在 ４． 单一 的纳 米 Ｚ Ｏ 元件 ， 多种 掺 杂 的 纳米 Ｚ Ｏ气 ｎ 对 ｎ 敏传感 器 阵列研 究还 比较 少 ＿ ］ ６．
多种掺 杂 纳米 Ｚ Ｏ 气 敏 元 件 ， 过 组 建 气 敏 传 感 ｎ 通
器 阵列 与 Ｂ Ｐ人工神 经 网络 相结 合 的方 法 ， 现 了 实 纳米 Ｚ Ｏ气 敏元 件对 目标混 合气 体组 分与 相 对浓 ｎ 度 大小 的识别 研 究 ， 而 为 高 性 能 纳 米 Ｚ Ｏ 半 导 从 ｎ 体传感 器 的实 际应用 奠定 基础 ．
本研 究 制 备 出具 有 优 异气 敏 性 能 和稳 定 性 的
Ｓ Ｍ 照 片． Ｅ 由图 １ ａ 可 以看 出所 制备 纳 米 线直 径 （）
ZnOSnO_2纳米晶复合材料的光增强型NO_2气体传感器
• 41•本文用共沉淀法制备了一种具有良好气敏性能的ZnO/SnO 2纳米晶复合材料，并对其形貌和微观结构进行了分析，在有无紫外光激发下，在各种可能存在的气体中，对该复合材料制成的传感器进行了气敏性能测试，结果表明该材料传感器对NO 2气体在紫外光激发下拥有较高的灵敏度和较强的选择性，在NO 2的检测中有良好的应用前景。
目前，现代科技发展越来越快，传感器因其优异的检测性能出现在大众视野当中。
在发展前景十分广阔的传感器各个领域当中，气体传感器是其中发展极为突出的领域，而半导体气体传感器约占气体传感器的60%。
SnO 2和ZnO 都是十分典型的表面型半导体气敏元件，已广泛的应用于各领域检测。
1 实验部分1.1 材料的合成所有化学试剂均来自于Sigma-Aldrich 公司，未进行进一步加工。
首先将7.5mmol NaOH 加入到25ml 0.1M 的SnCl 2·2H 2O 中，然后将15ml 5mmol 的Zn(CH 3COO)2·2H 2O 滴入上述溶液中，搅拌30min ，静置，待沉淀完全后，离心收集，将所得产物在400℃的空气中煅烧2h 。
1.2 材料的表征为传感器的响应。
2 结果讨论2.1 结构分析图1所示为ZnO/SnO 2纳米晶复合材料的XRD 图谱。
样品的特征峰的晶面如图所示，峰位与标准卡片中的ZnO 和SnO 2峰位相一致，结果证明了材料为ZnO/SnO 2纳米晶复合材料。
图1 ZnO/SnO 2纳米晶复合材料的XRD图谱2.2 形貌分析图2展示了ZnO/SnO 2纳米晶复合材料的各种表征。
扫描电镜展示ZnO/SnO 2纳米晶复合材料的光增强型NO 2气体传感器哈尔滨师范大学物理与电子工程学院 姜天晨 孙鉴波图2 ZnO/SnO 2(a)SEM图谱；(b)TEM图谱；(c)HRTEM图谱；(d)EDX图谱通过X 射线衍射(XRD)对样品的结构进行了表征，2θ范围从20°到80°。
二维单质材料及其在气体传感器中的应用
36新技术·新业务·行业应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2024.03.009二维单质材料及其在气体传感器中的应用［吴家隐 刘志发 陈浩东 梁同乐 李先绪］二维材料具有了高载流子迁移率、电导率和热导率等优点，因此成为目前研究的热点。
近几年,随着石墨烯、磷烯、锑烯、碲烯以及锡烯等二维单质材料的兴起,越来越多的报道证明了二维单质材料用于气体传感的可行性与选择性探测的潜力。
二维单质材料可以降低敏感材料的维度,提高比表面积，进而极大的增加了气体传感器的灵敏度，能够在相对较低的温度下提供实时、在线的气体传感。
总结了近些年二维单质材料的最新研究进展,介绍二维单质材料的反应机理及其优势和特点,最后对该研究方向的发展进行了展望。
吴家隐广东邮电职业技术学院，副研究员，博士研究生，研究方向：物联网、传感器。
刘志发广东邮电职业技术学院，大专，研究领域：人工智能。
陈浩东广东邮电职业技术学院，大专，研究领域：人工智能。
梁同乐广东邮电职业技术学院，副教授，研究领域：云计算。
李先绪中国电信股份有限公司研究院，高级工程师，硕士。
关键词：二维单质材料 气体传感 石墨烯 磷烯 锑烯 碲烯 锡烯摘要1 引言随着工业化的推进和经济的发展，化石燃料大量消耗，污染物排放迅速增长，我国正面临越来越严峻的环境污染形势。
在环境污染物中，污染气体严重破坏生态环境，威胁着人们的身体健康。
主要大气污染物包括氨氮化合物、二氧化硫、氮氧化物、有机污染气体以及重金属等物质。
这些污染物的来源跟工业和生活息息相关。
在燃煤发电中，将产生大量的二氧化硫（SO 2）、氮氧化合物（NO x ）、氯化氢（HCl ）、重金属及其化合物以及气态有机污染物[1]。
其中，气态有机污染物主要包有易挥发性有机化合物（Very V olatile Organic Compounds ，VVOC ）、挥发性有机化合基金项目：2022年广东省科技创新战略专项资金（大学生科技术创新培育）(pdjh2023b0915)；2022年度广东省普通高校重点科研平台和科研项目特色创新项目(2022KTSCX289)；2023年度广东省普通高校重点科研平台和科研项目新一代电子信息(半导体)重点领域专项(2023ZDZX1069)；广东邮电职业技术学院质量工程项目（2023094、2023118、202201）。
ZnO纳米薄膜材料对乙醇室温气敏性的研究
ZnO纳米薄膜材料对乙醇室温气敏性的研究沈振铎;胡金江;李振振;赵卫丽;曲蛟;范虹【摘要】ZnO nano-films were prepared on glass substrates by chemical vapor deposition (CVD).Dif-ferent samples are prepared and tested for ethanol gas sensitivity at room temperature by keepingthe holding time (10min) and temperature (650C) unchanged.Temperature rise and fall along withthe furnace, instantaneous rise and fall, three-way control and cylinder opening are used to controlthe rate of temperature rise and fall and oxygen flow.The results show that the sample preparedby the way of temperature rise and fall with furnace and three-way controlled airflow has the bestsensitivity to ethanol at room temperature.When the concentration of ethanol is 2500ppm, thesensitivity reaches 476％, and the selectivity is better than that of acetone.X-ray diffraction andscanning electron microscopy photographs show that the sample is Tetrapod-like nano-ZnO struc-ture of hexagonal wurtzite.%采用化学气相沉积 (CVD) 法在玻璃基底上制备ZnO纳米薄膜.制备过程保持保温时间 (10min) 和温度(650℃) 不变, 分别采用随炉升降温和瞬间升降温、三通控制和气瓶直开的方式控制升降温速率和氧气流量, 制备出不同的样品并进行室温乙醇气敏性测试.结果显示采用随炉升降温和三通控制气流方式制得的样品在室温下对乙醇具有最佳灵敏度——-乙醇浓度为2500ppm时, 灵敏度达到476％, 同时相对于丙酮具有较好的选择性.X射线衍射图谱和扫描电子显微镜照片显示该样品为六方纤锌矿四足状纳米ZnO结构.【期刊名称】《河北建筑工程学院学报》【年(卷),期】2018(036)004【总页数】5页(P130-134)【关键词】纳米ZnO;化学气相沉积法;室温气敏性;乙醇【作者】沈振铎;胡金江;李振振;赵卫丽;曲蛟;范虹【作者单位】河北建筑工程学院,河北张家口 075000;中建八局装饰工程有限公司,上海 201206;河北建筑工程学院,河北张家口 075000;北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083;河北建筑工程学院,河北张家口 075000;河北建设集团股份有限公司路桥分公司,河北保定 071000;河北建筑工程学院,河北张家口 075000;北京工业大学材料科学与工程学院,北京 100022;河北建筑工程学院,河北张家口075000;河北建筑工程学院,河北张家口 075000【正文语种】中文【中图分类】O647.3;O472;TN304.9;TP2120 引言气敏传感器是用来测量气体类型、浓度和成分，能把气体中的特定成分检测出来，并将成分参量转换成电信号的器件或装置，也称作气体传感器[1].ZnO是宽禁带直接带隙半导体，隙宽3.37 eV，是最早被研究的气体敏感材料[2-3].ZnO基气敏传感器基本工作温度在200～400 ℃，高的工作温度会造成器件成本和功耗的增加，同时还会降低器件寿命，影响器件的稳定性[4-6].可以在室温下工作的ZnO基气敏传感器能够降低耗能，延长使用寿命，安全、方便地检测易燃易爆气体，非常具有研究意义[7-8].本文应用化学气相沉积法(CVD)[9-10]，在预制电极的载玻片上，通过调整管式炉的升降温速率和O2气流的控制方式制备出了四足状纳米ZnO薄膜材料，在室温下测得样品对乙醇表现出良好的气敏性，同时证实了氧气流量控制方式的优化有利于样品气敏性能的提高，对提升室温下ZnO基气敏传感器性能具有一定参考作用.1 实验过程在常压下采用化学气相沉积法(CVD)在预制电极的载玻片上制备纳米ZnO薄膜，在传统的CVD系统O2通路上增加三通阀，可以实现O2在A、B气路间的相互转换，从而改变O2控制方式，如图1所示.在管式炉开始进入保温程序的瞬间，打开O2气瓶减压阀，O2经由气路B直接通入石英管，同时调节流量计获得10sccm的O2，直至管式炉保温程序结束瞬间关闭O2气瓶减压阀，我们把这种O2控制方式称为气瓶直开；采用三通阀控制，同时调节流量计，使O2以10sccm的稳定流量先由气路A排出，在管式炉开始进入保温程序的瞬间，通过三通阀将稳定的O2由气路B通入石英管，直至管式炉保温程序结束瞬间再通过三通阀将O2由气路A排出，我们把这种O2控制方式称为三通控制.将小瓷舟放到管式炉中央恒温区，样品随管式炉升温、保温、降温，我们把这种温度控制方式称为随炉升降温；先将小瓷舟放到靠近法兰B的石英管口，在管式炉开始进入保温程序的瞬间将小瓷舟推到中央恒温区，并装好法兰B，样品温度迅速升高，在管式炉保温程序结束瞬间将小瓷舟拉回到靠近法兰B的石英管口自然降温，我们把这种温度控制方式称为瞬间升降温.称出一定量的Zn粉放入小瓷舟中央并堆放均匀，带有预制电极的载玻片固定在Zn粉正上方，设定管式炉以15℃/min的升温速率升至650℃，保温10min，并通入100sccm的Ar作为保护气体，采用随炉升降温和三通控制O2方式制备1号样品；采用瞬间升降温和三通控制O2方式制备2号样品；采用随炉升降温和气瓶直开控制O2方式制备3号样品.图1 CVD系统示意图利用实验室自行搭载的室温气敏测试系统(如图2所示)，测试了样品对不同体积浓度(500ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm、2500ppm)乙醇和丙酮的室温气敏性.采用XRD和SEM表征样品的结构和形貌.图2 室温气敏性能测试系统示意图2 实验结果与分析2.1 灵敏度分析灵敏度S——气体检测中气敏元件阻值与其原始阻值的比值(或其倒数)，即当Rgas≥Rair(1)当Rair≥Rgas(2)其中Rair代表空气中的原始阻值，Rgas表示在待测气体中的阻值，用来表征气敏传感器对被测量气体的敏感程度.图3、图4、图5分别显示3个样品对浓度为500ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm、2500ppm乙醇的响应曲线.当乙醇液体注入测试腔体中挥发成乙醇气体后，所有样品的电阻都逐渐上升，达到一定值后趋于稳定，通入空气进行气体交换后气敏元件的电阻迅速下降，基本恢复到初始值.往复循环，每个样品都对乙醇表现出良好的气敏性.图6是1-3号样品对不同浓度乙醇的灵敏度对比，图中横坐标是乙醇浓度，纵坐标是灵敏度，可以看出采用随炉升降温和三通控制O2方式制备的1号样品对乙醇的灵敏度大于采用瞬间升降温和三通控制O2方式制备的2号样品及采用随炉升降温和气瓶直开控制O2方式制备的3号样品，当乙醇浓度为时2500ppm，1号样品获得了最佳灵敏度S=Rgas/Rair=476%.图3 1号样品加入不同浓度乙醇的响应曲线图4 2号样品加入不同浓度乙醇的响应曲线图5 3号样品加入不同浓度乙醇的响应曲线图6 不同样品对不同浓度乙醇的灵敏度对比2.2 选择性分析图7 1号样品对相同浓度乙醇和丙酮的响应曲线图8 1号样品对相同浓度乙醇和丙酮的灵敏度对比图7是1号样品对相同浓度(500ppm)的乙醇和丙酮的响应曲线，表示样品的电阻值在加入乙醇或丙酮后随时间的变化，可以看出1号样品对乙醇和丙酮都有室温气敏响应，对乙醇的气敏响应更为明显.图8示出了1号样品对相同浓度(500ppm)乙醇和丙酮的灵敏度对比结果，可以更直观的看出在同样条件下，1号样品对乙醇气体具有更高灵敏度，充分说明该样品相对于丙酮，对乙醇具有更高的气敏选择性. 图9 1号样品XRD曲线2.3 XRD分析图9是1号样品的XRD图谱(设备电压40KV，电流30mA，20°～70°扫描速度0.04°/S)，衍射峰与标准图谱(PDF#36-1451)相符合，未发现其他的衍射峰，表明1号样品为六方纤锌矿ZnO，衍射峰窄并且强度高，说明ZnO的结晶良好.2.4 SEM分析图10是1号样品分别在2K倍、10K倍下的SEM图像.可以看出样品分布均匀、结构疏松，从中心生长出的四个棒状晶须向四个方向延伸，构成四足状结构.图10 1号样品SEM图像3 气敏机理分析半导体电阻率变化的机理即气敏机理，ZnO气敏机理非常复杂.通常认为ZnO接触空气中氧分子时，O2从ZnO气敏材料获得电子形成氧离子氧离子在晶粒表面感应出空间电荷层，形成表面能级.当气敏元件进入还原性气体氛围时，氧离子与之反应释放电子回导带，使得ZnO气敏元件电阻降低.由此可以解释ZnO在高温(200～400℃)条件下接触还原性气体时电阻降低的现象.本实验样品室温下在乙醇氛围中电阻升高，此现象可能是因为在ZnO材料表面形成物理吸附引起的.室温下，通过物理吸附对气敏元件材料内部的载流子迁移率产生一定的影响，改变材料的电阻.σ=μnne+μpne(1)式中：σ——电导率；μn——自由电子迁移率；μp——空穴的迁移率；n——自由电子浓度；p——空穴的浓度；e——单位电荷.当气敏元件处于某种气体氛围中，这种气体的分子会成为气敏元件材料表面缺陷的根源，如乙醇气体分子会吸附在纳米ZnO的表面，当表面吸附的分子数量比较多时，就会在材料的表面形成散射中心[11].由于散射中心的形成，致使载流子流动的平均自由程被大大减小，即弛豫时间被大大降低.(2)根据式(2)可知，当m*(载流子的有效质量)不变时，弛豫时间缩短，迁移率降低，电导率降低，对外显示电阻升高.当气敏元件从气体氛围中离开后，吸附的气体分子离开材料的表面，迁移率升高，电导率升高，显示材料的电阻降低，与室温下ZnO气敏传感器在乙醇和丙酮气体氛围下电阻会升高的现象相符合.4 实验结论本文采用CVD法，通过改变升降温速率(随炉升降温或瞬间升降温)和气流控制方式(气瓶直开或三通控制)在玻璃基底上制备出了ZnO纳米薄膜，比较了不同实验条件制得的ZnO对乙醇的室温气敏性，结果显示：采用随炉升降温和三通控制气流方式制得的样品在室温下对乙醇具有最佳灵敏度——乙醇浓度为2500ppm时，灵敏度达到476%，同时相对于丙酮具有较好的选择性.X射线衍射图谱和扫描电子显微镜照片显示该样品为六方纤锌矿四足状纳米ZnO结构.参考文献【相关文献】[1]蒋亚东,太惠玲,谢光忠,杜晓松.敏感材料与传感器[M].北京:科学出版社,2016:329[2]Srikant,V.& Clarke,D.R.On the optical band gap of zinc oxide[J].Journal of Applied Physics,1998,83(10):5447～5451[3]Seiyama T,Kato A,Fujiishi K,Nagatani M.A New Detector for Gaseous ComponentsUsing Semiconductive Thin Films[J].Analytical Chemistry,1962,34(11):1502～1503[4]Yuan Zhang,Jiaqiang Xu,Qun Xiang,Hui Li,Qingyi Pan and Pengcheng Xu.Brush-Like Hierarchical ZnO Nanostructures:Synthesis,Photoluminescence and Gas Sensor Properties[J].Journal of Physical Chemistry C,2009,113(9):3430～3435[5]D.E.Motaung,P.R.Makgwane,S.S.Ray.Induced ferromagnetic and gas sensing propertiesin ZnO-nanostructures by altering defect concentration of oxygen and zincvacancies[J].Materials Letters,2015,135:475～479[6]M.-W.Ahn,K.-S.Park,J.-H.Heo,J.-G.Park,D.-W.Kim,K.J.Choi,J.-H.Lee and S.-H.Hong.Gas sensing properties of defect-controlled ZnO-nanowire gas sensor[J].Applied Physics Letters,2008,93:263103[7]Changjing Shao,Yongqin Chang,Yi Long.High performance of nanostructured ZnO film gas sensor at room temperature[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2014,204:666～672 [8]邢兰俊,常永勤,邵长景,王琳,龙毅.Sn掺杂ZnO薄膜的室温气敏性能及其气敏机理[J].物理学报,2016,65(9):304～309[9]唐新峰,袁润章.化学气相沉积技术的研究及在无机材料制备中的应用进展(待续)[J].武汉工业大学学报,1994,16(2):135～139[10]唐新峰,袁润章.化学气相沉积技术的研究及在无机材料制备中的应用进展(续完)[J].武汉工业大学学报,1995,17(2):119～121[11]R.G.Tobin.Mechanisms of adsorbate-induced surface resistivity--experimental and theoretical developments[J].Surface Science,2002,502-503:374～387。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第19卷 第3期2006年6月传感技术学报CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.No.3J un.2006R ecognition of Ethanol ,Acetone ,Benzene ,Toluene andX ylene Using N ano Z nO G as Sensor ArrayZ H A N G Qi n 2y i1,2,X I E Chang 2shen g 1,L I Deng 2f eng 1,Z H A N G S hun 2pi ng 1,B A I Zi 2k ui11.Dept .of M aterial Sci.and Eng.,H uaz hong Universit y of Science and Technology ,W uhan 430074,China;2.Dept .of M aterial Sci.and Eng.,W uhan Uni versit y of Technolog y ,W uhan 430070,ChinaAbstract :Recognition of et hanol ,acetone ,benzene ,toluene and xylene was performed by using 6doped nano ZnO gas sensors.It was p roved t hat sensitivities and selectivity of gas sensors could be reasonably improved by dopant s.K 2nearest neighbour (k 2NN ),linear discriminant analysis (LDA ),back 2propagation artificial neural network (B P 2ANN ),p robabilistic neural network (PNN )and learning vector quantization(L VQ )were compared for t heir suitability o n classifying volatile organic compounds (VOCs ).The accura 2cy of B P 2ANN in terms of p redicting tested samples was 100%and t he highest among t he pattern recogni 2tion algorit hms.This work shows t he potential application of t he gas sensor arrays for monitoring t he air quality.K ey w ords :gas sensor array ;volatile organic compounds (VOCs );pattern recognition EEACC :7230L基于纳米ZnO 气体传感器阵列的乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的识别研究张覃轶1,2,谢长生1,李登峰1,张顺平1,柏自奎1(1.华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)收稿日期:2005209201作者简介:张覃轶(19722),男,在职博士研究生,研究方向为纳米材料应用、气敏传感器以及模式识别,zhangqinyi @摘 要:采用6个不同掺杂的纳米ZnO 气体传感器组成的阵列实现了乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的识别。
研究表明,掺杂可大幅度提高传感器的敏感度和对可挥发有机物(VOCs )的选择性。
对比了k 近邻法、线性判别法、反传人工神经网络、概率神经网络、学习向量量化等在本实验中的应用。
反传人工神经网络具有最高识别率,可达100%。
本研究表明电子鼻在空气质量监测中具有广阔的应用前景。
关键词:气体传感器阵列;可挥发有机物(VOCs );模式识别中图分类号:TP212.9;X 831 文献标识码:A 文章编号:100421699(2006)0320552203 环境污染目前是在全球范围内广受关注的问题。
由于可挥发有机物(VOCs )广泛应用于染料、药物、塑料、橡胶、室内装修等行业,与人们的日常工作与生活有着密切的关系。
人吸入过量的VOCs ,会导致或加重过敏、哮喘、癌症、肺气肿等症状的发生。
特别是近年来,由于室内装修空气质量不合格而导致住户死亡的报道屡见不鲜,人们对VOCs 的检测提出了新的更高的要求。
对于VOCs 的测量,目前最常用的是气相色谱法(GC )[122]。
由于GC 操作复杂,设备昂贵,且无法实现在线测量,其应用受到很大限制。
近些年发展起来的气体传感器阵列(电子鼻)技术可克服GC 的上述缺点,实现对VOCs 的连续、在线、原位测量。
国内关于此类研究的报道不多[324],国外已有学者采用气体传感器阵列实现过VOCs 的识别,所采用的气体传感器主要为SnO 2金属氧化物半导体(MOS)[526]和声表面波型[7]传感器。
近年来,纳米ZnO因其敏感度高、稳定性好、价格便宜等优点,已发展成为最具商业价值的MOS型敏感材料[829]。
本文采用6个不同掺杂的纳米ZnO厚膜气敏传感组成阵列,对不同浓度的乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯进行了测量。
讨论了掺杂对VOCs测量的敏感度和选择性的影响。
利用k近邻法(k2NN)、线性判别法(LDA)、反传人工神经网络(B P2ANN)、概率神经网络(PNN)、学习向量量化(L VQ)等模式识别方法对上述5种VOC进行了识别,同时对这些模式识别方法在VOCs识别中的适用性进行了讨论。
本研究对发展和研制VOCs监测电子鼻具有指导意义。
1 实验过程1.1 气体传感器阵列以激光2感应复合加热方法制备的针状纳米ZnO粉作为基体材料,分别掺入w(TiO2)=5%、w (Co2O3)=5%、w(MnO)=1%、w(Ce2O2)=1%、w (Ce2O2)=2%、x(Ag)=1.84,机械混合均匀后用蒸馏水调配成浆料,均匀涂覆在Al2O3基管上,干燥后置于箱式炉中在650℃下2h烧结,制得6个不同掺杂得纳米ZnO厚膜气体传感器构成本实验用阵列。
更详细得制备过程可参考文献[829]。
为提高气敏元件得稳定性和可重复性,对所制得得元件在空气中加热到320℃,老化7d。
1.2 样品及测量过程本实验所测量的VOCs均为分析纯(≥99.7%),测量范围3～500×10-6,每种VOC均进行了13次不同浓度的测量。
测试在河南汉威电子公司HW230气敏测试系统上完成,测试环境为室温23℃,相对湿度78%。
测试过程参见文献[10]。
取传感器的敏感度作为分析信号,敏感度的定义为: S=R0/R g,其中:R g为传感器在待测气氛中的电阻值,R0为传感器在洁净空气中电阻值。
1.3 数据分析首先采用主元分析法(PCA)对每种气体13个样本,共65个样本进行了分析,目的在于分析样本集内在的聚类特性。
模式识别算法在气体传感阵列的应用中占有举足轻重的地位,我们曾对比过不同模式识别算法在电子鼻信号处理中的应用特点[11212],为进一步分析对比不同的模式识别算法,同时也为本实验找寻最优识别算法,我们采用了k2 NN、LDA、B P2ANN、PNN、LVQ等方法对所测量的数据进行了识别。
每种气体取8个样本,共40个样本作为训练样本,其余25个样本作为测试样本。
所有数据分析的计算均在Matlab6.5中完成。
2 结果与讨论2.1 PCA分析考虑到不同浓度VOC的敏感度差别较大,在进行PCA分析之前,对测量数据集进行了标准化处理。
气体传感器阵列测量5种VOC敏感度的PCA 分析结果如图1所示,前两主元的累计贡献率为98.86%。
由图1可以看出,乙醇和丙酮呈现出很好的聚类特性,而苯,甲苯和二甲苯高度重叠在一起,难以用PCA方法将其区分。
5种VOC的PCA分析结果可以用传感器阵列的响应特性来进行很好的解释。
图2给出了w(MnO2)=1%和w(C e O2)= 1%掺杂的气敏元件对不同VOC、不同浓度的敏感度特性曲线。
由图2可以看出,掺杂导致了纳米ZnO厚膜元件敏感度的大幅度提高,不掺杂的纳米ZnO厚膜元件对于100×10-6的乙醇的敏感度仅为10左右[12],w(MnO2)=1%和w(CeO2)=1%掺杂的厚膜元件对100×10-6的乙醇的敏感度可分别提高到42和32。
由图2还可以看出,掺杂在很大程度上改变了纳米ZnO气敏元件的选择性。
如在图2 (a)中,w(MnO2)=1%的掺杂导致元件对丙酮的敏感度要远远高于对乙醇的敏感度,而在图2(b)中正好相反,w(CeO2)=1%的掺杂导致乙醇的敏感度高于丙酮的敏感度,这说明掺杂有利于改善纳米ZnO 厚膜元件的选择性,这也是在图1中乙醇和丙酮呈现出差别的原因。
同时我们还观察到,掺杂对苯、甲苯、二甲苯的选择性没有改善,其敏感度大小的顺序一直表现为二甲苯>甲苯>苯,很明显气体传感器的敏感度和有机气体的官能团有关系,带有苯基的二甲苯、甲苯、苯这三种有机气体敏感度大小顺序就和其所含的甲基官能团数目相一致[10]。
图1 气体传感器阵列测量5种VOC敏感度的PCA分析结果355第3期张覃轶,谢长生等:基于纳米ZnO气体传感器阵列的乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的识别研究图2 纳米ZnO传感器敏感度特性曲线由于无法用PCA方法将5种VOC进行分类,不同的模式识别方法被应用到乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的识别过程中,同时对不同算法在本研究中的适用性进行了讨论。
2.2 模式识别分析k2NN算法中k取值为5;LDA算法中采用欧氏距离;L VQ算法中竞争层神经元个数为30、学习率0.09、网络迭代20000次;B P2ANN算法中采用3层网络、隐层神经元个数为25、输出层为5个神经元,每个神经元代表一种VOC、网络误差设定为0.05。
有关本文所用到算法的原理可参考文献[11]。
定义识别率为正确识别样本的数量与测试样本总数的比值。
不同算法对5种VOC进行识别的结果如表1所示。
表1 不同模式识别算法对5种V OC的识别结果算法名称测试样本数正确识别样本数识别率k2NN251872%LDA252288%PNN251144%L VQ251560%BP2ANN2525100% 由表1可以看出,k2NN、LDA、PNN、L VQ在进行VOC识别时,均出现不同程度的误识现象,特别是PNN,其识别率仅为44%。