用二氧化锡材料制备的气体传感器因具有灵敏度高、寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强、结构简单、成本低、机械性能良好、可直接输出电信号等优点,早已获得了广泛的应用。随着气体传感器市场需求的不断发展,除了需要进一步研制气敏性能优异的传感器外,传感器的小型化、集成化也是十分必要的。为了便于气体传感器的小型化和集成化,薄膜型气体传感器是研究的重点。本文以纳米二氧化锡薄膜为基础,尝试从掺杂改性和改变薄膜微结构,这两个方面来改善其气敏性能。本文的主要研究内容与结果如下：以氯化亚锡为原料,采用了溶胶-凝胶浸渍提拉法制备了纳米二氧化锡薄膜。所得薄膜由平均粒径为25.9 nm的具有四方相金红石结构的二氧化锡晶粒组成。薄膜在氧化铝基片上是连续的,仅存在少量裂纹和孔洞。通过系统测试其对硫化氢的气敏性能,发现：其灵敏度随着硫化氢气体浓度的增加而非线性增大；其对硫化氢的灵敏度随着工作温度的上升,先增后降,最佳工作温度为100℃。为了进一步提高纳米二氧化锡薄膜对硫化氢的灵敏度,降低气敏薄膜的工作温度,在二氧化锡中分别掺入了CuO、NiO、Bi2O3三种P型金属氧化物半导体。实验表明仅掺入1 at%的Cu2+、Ni2+、Bi3+,就可以极大的提高纳米二氧化锡薄膜对硫化氢的灵敏度,而且气敏薄膜的最佳工作温度也由不掺杂时的100℃下降到75℃。P型金属氧化物半导体的掺杂量会影响纳米薄膜气敏元件对硫化氢的灵敏度。总体来说,掺杂量为2 at%的CuO-SnO2纳米薄膜气敏元件的灵敏度最高,其在75℃的工作温度下,对68.5 ppm硫化氢气体的灵敏度为1220。掺杂P型金属氧化物半导体,虽然极大地提高了纳米二氧化锡气敏薄膜对硫化氢的灵敏度,降低了最佳工作温度,但并未改善气敏薄膜的恢复特性。因已有研究表明多孔结构可缩短气敏元件的响应恢复时间,故尝试以含碳多聚糖微球为造孔剂,制备了大孔纳米二氧化锡薄膜。相比普通纳米二氧化锡薄膜元件,大孔纳米二氧化锡薄膜元件对硫化氢气体的灵敏度略有提高,响应时间略有缩短,恢复时间得到了极大的改善。根据二氧化锡气体传感器的工作机理,从理论上对纳米二氧化锡薄膜硫化氢气敏特性的测试结果进行了解释。利用纳米二氧化锡薄膜表面氧的吸附量随温度的变化,解释了纳米薄膜元件存在最佳工作温度的原因。利用纳米二氧化锡薄膜表面吸附氧和硫化氢气体的反应式,得出了纳米薄膜元件的灵敏度与硫化氢气体浓度的1/2次方成正比。
