铁氧化物/硅纳米孔柱阵列复合体系的湿敏特性研究

论文摘要

微型化和智能化是现代传感器发展的趋势。将传统半导体传感材料纳米化沉积在合适的衬底上,便可得到微型智能化传感元器件。铁氧化物是传统的气湿敏传感材料,对水蒸气具有优越的传感性能;硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）具有独特的表面结构—微纳双重结构,该结构体系不仅使Si-NPA具有巨大的比表面积,而且可以为气体的传输提供通道,此外,Si还可以和集成电路技术相融合,所以Si-NPA很适合为传感元件做衬底材料。以Si-NPA为衬底,用匀胶旋涂和退火的方法在其上沉积一层纳米铁氧化物,能够得到铁氧化物/Si-NPA复合湿敏材料,然后测试该复合材料的湿敏性能。 围绕本研究课题,开展的实验工作及其结果如下: 1.采用微乳和水热相结合的技术,制备出了纯度高,分散性好,粒径可控的纳米铁氧化物。 2.通过控制匀胶和退火的条件,得到薄膜层纯度高、附着均匀的铁氧化物/Si-NPA复合材料,该复合体系基本保持了衬底材料独特的微纳双重结构。 3.在一系列不同的湿度条件下对Si-NPA、Fe3O4/Si-NPA和γ—Fe2O3/Si-NPA元件进行湿敏测试,结果显示:Si-NPA对湿度的感应具有灵敏度高、响应时间短的优点;Fe3O4/Si-NPA湿敏元件具有电容电阻响应灵敏性高、输出电容信号强、对湿度响应速度快以及元件稳定性好等特点;γ—Fe2O3/Si-NPA湿敏元件具有很高的灵敏性,且电容对湿度显示很好的单值性。通过分析可得如下结论:Si-NPA元件优越的湿敏性能与Si-NPA表面独特的微纳双重结构体系有关;Fe3O4/Si-NPA元件优越的湿敏性能由敏感层材料Fe3O4和衬底材料Si-NPA共同贡献;γ—Fe2O3/Si-NPA湿敏元件可以通过掺杂碱金属提高材料的稳定性。 本论文设计的铁氧化物/Si-NPA湿敏元件不仅体积小、有利于智能化,而且湿敏性能优越,拓宽了该类传感材料的研究;Si-NPA独特的表面结构有利于传感器对气体的感应,可以推广作为更多传感元器件的衬底材料。

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 薄膜型陶瓷传感器的研究及进展
• 1.1.1 薄膜型陶瓷湿度传感器的研究
• 1.2 铁氧化物湿敏传感材料的研究现状
• 1.2.1 铁氧化物
• 1.2.2 铁氧化物半导体的感湿机理
• 1.2.3 铁氧化物湿敏材料的研究现状
• 1.3 薄膜传感器衬底材料的选择
• 1.3.1 衬底材料对薄膜传感器性能的影响
• 1.3.2 新型衬底材料：多孔硅与硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）
• 1.4 课题研究意义
• 第二章 铁氧化物／Si-NPA湿敏元件的制备
• 2.1 微乳—水热法制备纳米铁氧化物
• 3O₄的制备'>2.1.1 纳米Fe₃O₄的制备
• 3O₄'>2.1.2 X射线衍射与透射电镜技术表征纳米Fe₃O₄
• 2O₃的制备'>2.1.3 纳米γ—Fe₂O₃的制备
• 2O₃的表征'>2.1.4 纳米γ—Fe₂O₃的表征
• 2.2 衬底材料Si-NPA的制备
• 2.2.1 Si-NPA的制备技术
• 2.2.2 Si-NPA表面形貌表征
• 2.3 铁氧化物／Si-NPA复合薄膜湿敏元件的制备
• 3O₄／Si-NPA湿敏元件的制备及其特征形貌介绍'>2.3.1 Fe₃O₄／Si-NPA湿敏元件的制备及其特征形貌介绍
• 2O₃／Si-NPA湿敏元件的制备及其特征形貌介绍'>2.3.2 γ—Fe₂O₃／Si-NPA湿敏元件的制备及其特征形貌介绍
• 2.4 小结
• 第三章 铁氧化物／Si-NPA元件的湿敏特性测试及分析
• 3.1 湿敏测试实验设计
• 3.1.1 实验技术路线设计
• 3.1.2 湿度标定系统的设计
• 3.1.3 湿度信号的检测
• 3.2 Si-NPA湿敏元件感湿特性的测试及分析
• 3.2.1 Si-NPA湿敏元件的灵敏度测试
• 3.2.2 Si-NPA湿敏元件的响应时间测试
• 3O₄／Si-NPA复合体系感湿特性的测试及分析'>3.3 Fe₃O₄／Si-NPA复合体系感湿特性的测试及分析
• 3O₄／Si-NPA湿敏元件的灵敏度测试'>3.3.1 Fe₃O₄／Si-NPA湿敏元件的灵敏度测试
• 3O₄／Si-NPA湿敏元件的响应时间测试'>3.3.2 Fe₃O₄／Si-NPA湿敏元件的响应时间测试
• 3O₄／Si-NPA湿敏元件的频率响应测试'>3.3.3 Fe₃O₄／Si-NPA湿敏元件的频率响应测试
• 3O₄／Si-NPA湿敏元件的稳定性测试'>3.3.4 Fe₃O₄／Si-NPA湿敏元件的稳定性测试
• 3O₄／Si-NPA湿敏元件的优越湿敏性能分析'>3.3.5 Fe₃O₄／Si-NPA湿敏元件的优越湿敏性能分析
• 2O₃／Si-NPA复合体系感湿特性的测试及分析'>3.4 γ—Fe₂O₃／Si-NPA复合体系感湿特性的测试及分析
• 2O₃／Si-NPA湿敏元件的灵敏度测试'>3.4.1 γ—Fe₂O₃／Si-NPA湿敏元件的灵敏度测试
• 2O₃／Si-NPA湿敏元件的湿敏性能分析'>3.4.2 γ—Fe₂O₃／Si-NPA湿敏元件的湿敏性能分析
• 2O₃／Si-NPA复合体系湿敏性能的影响'>3.4.3 碱金属Li的掺杂对γ—Fe₂O₃／Si-NPA复合体系湿敏性能的影响
• 3.5 小结
• 第四章 结论
• 中外文参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简介: