紫外光增强型半导体气体传感器的研究

金属氧化物半导体气体传感器以灵敏度高、响应迅速、体积小、价格低廉等优点成为气体传感器的重要部分，然而较高的工作温度限制了其进一步应用。本项目研究用光增感的方法实现气体传感器在常温下工作。通过如下探索来实现研究目标：一是开发具有高光增感效果的复合敏感材料，通过在金属氧化物半导体中引进紫外光活性中心（光催化剂）提高氧化物半导体表面的气敏活性，提高识别气体的能力和信息转换功能。二是设计独特的传感器结构，使用发光二极管作为激发光源实现传感器的小型化。为了提高紫外光的利用效率，在敏感层背光一侧引入反射层，选择单晶硅、金属膜或光子晶体作为反射层材料，设计能够增加光程的反射层结构，不仅利用入射光而且还有效地利用反射光来提高敏感材料的光吸收效率从而提高增感的效果。通过实验和理论探索，研制出室温工作的小型气体传感器，并开拓气体传感器设计的新途径。

采用化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法制备了SnO2,ZnO等单一氧化物以及SnO2为主体复合TiO2,ZnO,In2O3等成分的复合氧化物，利用XRD,SEM,TEM,BET进行了材料性质分析，研究了材料种类、形貌等对气体传感器性质的影响。研究结果表明：有利于增强光利用效率的敏感材料和器件结构可以明显改善器件的性能，能够实现金属氧化物基气体传感器在室温下工作。发现在紫外光照射下复合敏感材料的敏感特性明显高于单一半导体氧化物；研究了复合敏感材料的组成与紫外光增感效应的关联，发现了一些复合材料体系的最佳组成比；开发了SnO2/TiO2、SnO2/In2O3以及SnO2/ZnO等复合敏感材料，制作了基于上述材料的原型紫外增感型气体传感器，并得到了良好的敏感特性。例如：ZnO纳米棒复合SnO2纳米粒子作为敏感材料，室温时对500ppb的NO2气体灵敏度高达1700。在器件结构方面设计和制作了具有背反射器的紫外增强型传感器，利用反射光对光催化剂进行二次激发，显著提高了紫外光的利用效率，进而明显提高传感器的响应特性。提出了针对还原性气体和氧化性气体的紫外光增感机理；针对特殊形貌和结合形态的复合敏感材料，提出了相应的紫外增感机制；针对室温下水蒸气的影响，提出了紫外光照射下的抗湿度干扰机理。此外，从实际应用出发，利用金属氧化物作为掺杂剂改善了催化燃烧式甲烷气体传感的稳定性，同时研究了不同形貌的贵金属Pd对于γ-Al2O3的甲烷气敏性质的影响。