基于一维纳米材料的气体传感器及其应用研究

论文摘要

本论文主要研究了两种典型一维纳米材料——ZnO纳米棒和碳纳米管的气敏特性,并探索了碳纳米管传感器在毒品/爆炸物检测上的应用。具体研究内容如下:（1）介绍了ZnO纳米尖端场离子化气体传感器的制作方法和气敏测试系统的结构与操作方法,对比了击穿电压与预击穿电流测试方法和动态与静态预击穿电流测试方法的优缺点,并采用动态测试预击穿电流的方法对乙酸、丙酮等蒸气进行了气敏测试,探讨了测试条件对动态测试方法的影响,此外,还研究了碳纳米管作为离子化尖端的抗氧化性能。（2）利用碳纳米管的场离子化、极化作用和吸附特性研制了四种新型气体传感器,并对它们的气敏特性进行了系统地研究。其中,采用丝网印刷的方法在SiO2/Si上下表面各制作一层金属电极,构成了以SiO2为介质层的平板电容结构,再采用CVD方法电容上表面原位生长MWCNT,构成了一种以MWCNT为敏感材料的电容式气体传感器;另外,采用CVD方法在SiO2/Si上生长SWCNT,再采用MEMS工艺在SWCNT上制作梳状电极,构成了一种基于SWCNT的电容/电导式气体传感器;还有,采用湿化学方法将SnO2纳米颗粒修饰在MWCNT表面,制作了一种SnO2修饰的MWCNT气体传感器;此外,采用化学气相沉积的方法在AAO模板中生长MWCNT阵列,然后将模板中的MWCNT阵列两端各粘结一块平板电极,再用HF腐蚀除掉AAO,构成了一种基于MWCNT阵列的电容式气体传感器。（3）采用电子鼻技术将SnO2修饰的MWCNT电导式传感器、SnO2传感器和基于MWCNT膜的电容式传感器作为敏感单元组成传感器阵列,研究了它们对几种常见毒品和爆炸物的敏感特性,并且研制出体积小、重量轻、响应快、运行稳定的毒品/爆炸物检测仪原理样机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于纳米材料的气体传感器简介
• 1.2.1 具有纳米效应的金属氧化物半导体气体传感器
• 1.2.2 纳米材料催化化学发光气体传感器
• 1.2.3 分子自组装膜气体传感器
• 1.2.4 LB膜气体传感器
• 1.2.5 多孔硅（P）S气体传感器
• 1.3 基于一维纳米材料的气体传感器
• 1.3.1 碳纳米管分子导线气体传感器
• 1.3.2 碳纳米管场效应管气体传感器
• 1.3.3 碳纳米管离子化气体传感器
• 1.3.4 基于碳纳米管边缘场效应的电容式气体传感器
• 1.4 一维纳米材料的制备方法
• 1.4.1 碳纳米管的制备方法
• 1.4.1.1 电弧放电法
• 1.4.1.2 激光烧蚀法
• 1.4.1.3 化学气相沉积法
• 1.4.2 一维ZnO纳米结构的制备方法
• 1.4.2.1 液相法
• 1.4.2.2 气相法
• 1.4.2.3 模板法
• 1.5 静电场理论
• 1.5.1 气体放电现象
• 1.5.2 气体场离子化过程
• 1.5.3 气体离子化过程中的预击穿电流
• 1.5.4 边缘场效应
• 1.6 本论文的选题背景和研究内容
• 参考文献
• 第2章 基于ZnO纳米棒阵列的场离子化气体传感器
• 2.1 引言
• 2.2 基于ZnO纳米棒阵列的场离子化气体传感器的制作
• 2.2.1 ZnO纳米棒阵列的制备
• 2.2.2 纳米尖端场离子化传感器的结构
• 2.2.3 纳米尖端场离子化传感器的制作
• 2.3 气敏测试装置
• 2.3.1 传感器信号采集和控制系统的设计和选择
• 2.3.2 气敏测试装置的搭建
• 2.3.3 Keithley 6487皮安表使用方法
• 2.4 气敏测试实验
• 2.4.1 ZnO纳米尖端对气体的离子化作用
• 2.4.2 预击穿电流与击穿电压测试方法比较
• 2.4.3 动态与静态方法对乙酸蒸气测试的比较
• 2.4.4 ZnO纳米尖端场离子化传感器对其它有机蒸气的测试
• 2.4.5 动态测试方法的影响因素
• 2.5 碳纳米管作为离子化尖端的稳定性研究
• 2.5.1 碳纳米管的制备
• 2.5.2 碳纳米管离子化尖端稳定性研究
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 基于碳纳米管的气体传感器
• 3.1 引言
• 3.2 基于多壁碳纳米管的电容式气体传感器
• 3.2.1 基于MWCNT传感器的结构
• 3.2.2 多壁碳纳米管的制备
• 3.2.3 传感器电容信号与电阻信号比较
• 3.2.4 基于传感器电容信号的气敏性能研究
• 3.2.4.1 饱和蒸气进样的气敏测试装置
• 3.2.4.2 气敏测试结果
• 3.2.4.3 对样品浓度的标定
• 3.3 基于单壁碳纳米管的气体传感器
• 3.3.1 单壁碳纳米管的制备
• 3.3.2 基于SWCNT的气体传感器制作
• 3.3.3 基于SWCNT传感器对TNT的测试曲线
• 2修饰MWCNT的电导式气体传感器'>3.4 基于SnO₂修饰MWCNT的电导式气体传感器
• 3.4.2 气敏测试实验
• 3.4.2.1 液体进样的气敏测试装置
• 3.4.2.2 对TNT的测试实验
• 2传感器测试结果的比较'>3.4.2.3 与SnO₂传感器测试结果的比较
• 3.5 基于MWCNT阵列的电容式气体传感器
• 3.5.1 基于MWCNT阵列的电容式气体传感器
• 3.5.2 碳纳米管阵列的制备
• 3.5.3 气敏测试结果
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 传感器阵列技术的研究及碳纳米管传感器在毒品/爆炸物检测上的应用
• 4.1 引言
• 4.2 样机设计思路
• 4.3 测试室设计
• 4.4 传感器阵列对毒品/爆炸物的测试
• 4.5 样机数据采集程序设计
• 4.5.1 数据采集卡驱动模块
• 4.5.2 数据采集及处理模块
• 4.5.3 样机操作界面
• 4.6 建立特征图形库
• 4.6.1 建立原则
• 4.6.2 建立特征图形库流程
• 4.6.3 样机检测系统在测试过程中的温湿度校正
• 4.7 特征提取与识别
• 4.8 样机
• 4.9 本章小结
• 参考文献
• 第5章 结论与展望
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢