ZnO纳米颗粒的喷雾热解法制备及气敏传感性能研究
一、引言：
在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。在传感器得到广泛应用的时代，结合现在教学模式和物理知识让学生了解和研究气敏电阻传感器的原理与应用，具有十分重要的现实意义。
气敏传感器，是利用半导体气敏元件同被测气体接触后，造成半导体性质的变化，以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。实际测量时，可用气敏传感器把各种气体的成分或浓度等参数转换成电阻、电压或电流的变化量，并通过相应测量电路在终端仪器上显示。它的传感元件是气敏电阻，这是一种用金属氧化物( 如氧化锡SnO2、氧化锌ZnO 或Fe2O3等) 的粉末材料并添加小量催化剂及添加剂，按一定配比烧结而成的半导体器件。气敏电阻传感器经常用于测量还原性气体成分和测量气体浓度的两大类实验中，例如石油蒸汽，酒精蒸汽，甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等气体的检测。气敏电阻吸收了不同气体时会发生还原反应，使元件电阻发生变化，从而将气体成分和浓度变成电信号，经过电路放大处理后，驱动相应电路或器件，从而进行成分或浓度检测和报警。
二、实验目的：
（1）掌握喷雾热解法制备ZnO纳米颗粒；
（2）掌握气敏传感器的原理及传感器件的制作；
（3）掌握气敏传感器的性能测试；
（4）了解湿度对气敏传感器性能的影响。
三、实验仪器，试剂和材料：
喷雾热解系统，Ag-Pd电极，温湿度测试平台，傅里叶红外光谱仪，分析天平，醋酸锌，酒精、丙酮等挥发性气体。
四、实验内容介绍
（1） 喷雾热解系统
喷雾热解法是一种物理、化学的综合方法, 其典型的制备装置如图1 所示, 主要由超声雾化系统、雾滴输送系统以及热解成膜系统等3部分组成。
图1：超声喷雾热解法制备薄膜装置示意图
超声雾化系统主要包括超声雾化器、前驱体溶液和载气装置；雾滴输送系统多数采用石英玻璃管作为输送管道,可在反应炉内高温环境下反复使用；热解成膜系统主要由反应炉和衬底支架组成, 反应炉配有温度控制器, 可精确控制衬底温度, 衬底支架多采用石英等耐高温材料。工作时，超声雾化器产生频率达MHz 的机械波，这是一种表面张力波,具有高能分散作用,便于溶液雾化。前驱体溶液经过超声雾化器时,被雾化成微米级的小液滴, 这些雾滴在载气或风扇作用的带动下经管道被输送到加热的衬底上, 经过溶剂的蒸发、溶质热分解等反应过程,最终在衬底上形成纳米颗粒材料。
（2）温湿度测试平台
温湿度测试平台提供可控的温度、湿度环境，为研究各种传感器、晶体管等特性，特别是湿度干扰特性提供条件。平台可以外接配气系统，是一套综合性测试平台。
此测试系统采用外部控温使得气敏测试摆脱了对器件的依赖，完全保持材料的形貌和结构。同时，分析系统能够测量材料在不同的位置、方向及角度上的气敏特性，可以表征出材料在不同的浓度（ppb甚至ppt量级）及气压（特别是氧压）下的气敏特性。分析系统可用于对各种纳米材料、厚膜/薄膜材料、孔材料、粉体/粒子材料、体块材料、半导体、碳管、有机物等进行同时多样品的气敏分析。测量过程仅需将材料放置在分析系统的加热区域，或者将材料沉积在带电极的衬底（如硅衬底或者陶瓷衬底）并放置于分析系统的加热区域即可。测量过程不会对材料的形貌和结构造成破坏，能够测量出材料最真实的气敏特性。
图2：温湿度测试平台
（3）实验流程图
五、实验步骤
（1）ZnO纳米颗粒的制备：设置超声频率、雾化量, 气流量等参数，使用醋酸锌水溶液为前驱体溶液, 通过优化前驱体溶液浓度和基板温度制备得到高质量的ZnO纳米颗粒。
（2）气敏传感器件制作：取一定量的ZnO纳米颗粒，逐滴加入去离子水，直至研磨成胶质状浆料，用刷子将浆料均匀涂抹在Ag-Pd电极上，在烘箱中70摄氏度下烘干备用。
（3）气敏传感器性能测试
①将传感器放于控温台上，使用调节支架调节探针的位置，确保探针与被测器件的电极接触良好;
②扣上气罩，确保气室的密封性，若有密封问题，应检查气室与测试平台间的接触，检查气室的各活动部件如注气孔、注液孔、放气阀、角阀、混气阀是否处于关闭状态；
③打开测试平台启动开关，通过触摸屏设置工作温度，将被测器件加热到工作温度；(注意 为确保仪器安全，请在工作中请确保水冷系统中水流正常，在设定温度<60 ℃时，无需开启循环水；设定温度在 60℃ - 100 ℃时，打开循环水（只开启循环）；设定温度>100 ℃时，同时开启循环和制冷)
④打开混气阀，通入背景气体，待气室内气压达到目标气压后可关闭混气阀，也可一直通气；
⑤启动计算机上的测试软件，在“灵敏度曲线”处选择“Rg 曲线”，在设置好其他测试参数后，点击“开始采集”，观察采集得到的空气中的电阻值 Ra；
⑥待电阻值 Ra稳定之后，表明预热结束，可通入目标气体，观察测试软件中灵敏度曲线的变化，直至分析值再次稳定；打开气罩，待分析值恢复初始值；
⑦停止采集后，将数据保存为 txt 或 excel 格式，在 Origin 等画图软件中进行处理。
（4）控制测试腔体的湿度环境，测试不同湿度条件下传感器的响应值，分析湿度对气敏性能的影响。
（5）开启傅里叶红外光谱，测试通入气体前后样品的红外谱，并结合电学性能结果，进一步分析气敏机理。
六、拓展与探究：
(1) 调研除ZnO外，还有哪些材料可以作为气敏材料，这些不同的气敏材料各有哪些优缺点?
(2) 湿度对气敏性能有哪些影响？影响的机理是什么？
(3) 气敏传感器的影响因素有哪些?
(4) 气敏传感器的长期稳定性如何表征?
(5) 如有兴趣深入此类研究性实验，详细阅读下列文献，并做出文献综述报告：
① Nanostructured Materials for Room-Temperature Gas Sensors Jun Zhang, Xianghong Liu, Giovanni Neri, and Nicola Pinna, Adv. Mater. 2016, 28, 795–831.
②Gas Sensors Based on Semiconducting Metal Oxide One-Dimensional Nanostructures, Jin Huang and Qing Wan, Sensors 2009, 9, 9903-9924.
③ Metal and Metal Oxide Nanoparticles in Chemiresistors : Does the Nanoscale Matter? Marion E. Franke, Tobias J. Koplin, and Ulrich Simon,small 2006, 2, 36–50.
