基于介孔氧化物半导体的吸附增感型气体传感器的研究

用于微环境中极低浓度（数ppb-数十ppb）恶臭气体和VOCs检测的高性能传感器的开发是由来已久的挑战，如何提高灵敏度一直是困扰研究者的难题。本项目针对氧化物半导体型气体传感器，提出了一种提高灵敏度的新方法：（1）赋予氧化物半导体以较强的吸附功能，在常温或低温下实现对目标气体的浓缩；（2）在较高的工作温度下实现对浓缩气体的感知。为了实现这一设想拟开展以下研究：第一，设计和制备介孔氧化物半导体敏感材料，力争使其比表面积达到300m2/g以上；第二，探索传感器的脉冲加热方式，研究低温段温度、时间与气体吸附量的关系，研究高温段温度、时间与灵敏度、响应-恢复特性的关系；第三，设计微球型传感器和微结构传感器，通过降低热容量和提高敏感体透气性达到高低温快速转换和快速响应的目的。通过本项目的实施，不仅可以建立一种提高灵敏度的新方法，而且能够开发面向便携式检测仪的高灵敏、低功耗气体传感器。

本项目面向微环境中低浓度有毒有害气体的检测，提出了一种提高灵敏度的新方法：首先，利用半导体氧化物介孔结构的优异吸附功能，在常温或较低工作温度下实现对目标气体的浓缩；第二，在较高的工作温度下实现对浓缩气体的感知。因此，为了实现上述目标，主要开展如下工作：第一，设计和制备了几种具有介孔结构的半导体氧化物，以介孔氧化硅为硬模板，制备了SnO2、Pd-SnO2、CuO-SnO2介孔材料，以氯化十六烷基吡啶等表面活性剂为软模板制备了具有大比表面积的SnO2，比表面积可高达409m2/g，此外还制备了In2O3、Fe-In2O3、Co3O4、LaFeO3和LaFeSrO3等n型或P型的半导体氧化物介孔材料，并开展了气敏以及湿敏特性的研究；第二，系统地研究了传感器的脉冲加热方式，设计了加热电流和脉宽（吸附或检测时间）可调的脉冲驱动电路，并针对H2S的检测探索最佳驱动条件；第三，设计并制作微球型传感器和MEMS微结构传感器，采用微小铂线圈制作直热式微球型半导体氧化物传感器，采用MEMS技术制作微结构传感器，通过这些技术降低了敏感体的热容量，实现了高低温快速转换和快速响应；第四，作为本项目研究的延伸，系统开展了半导体氧化物分等级结构的制备和气湿敏特性研究、紫外增强型半导体氧化物传感器研究以及其他类型的传感器的研究。通过本项目的实施，不仅确立了一种提高灵敏度的新方法，而且为开发实用化传感器提供了关键技术。共发表标注的SCI论文48篇，国内专利5项，国际会议报告15次，其中邀请报告3次，培养博士研究生3人，硕士研究生15人，博士后出站1人，在站1人，获批2013年度教育部创新团队。