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在油田、气田、沟渠等地下作业中,H2S中毒事件时有发生,它能腐蚀黏膜,损坏神经系统,甚至引起呼吸困难,对人体健康危害很大,亟待开发能准确检测微量H2S的气体传感器,以保障工业生产安全及人类生活健康。
基于声表面波(SAW)的气体传感器一般具备高灵敏度、良好的可靠性、稳定性、频率输出等优点,因而受到传感器领域的广泛关注。SAW气体传感器的灵敏度、选择性等性能主要受到敏感膜的影响。目前,SAWH2S传感器一般采用WO3,TiO2、聚苯胺等敏感膜,灵敏度相对较低,选择性不好。本文将采用对H2S具有高灵敏度且具有良好选择性的SnO2/CuO材料作为敏感膜以研制出性能更好的SAWH2S气体传感器。而这方面的研究还不多,尚没有文献对其检测H2S的响应机理进行过讨论。本文主要工作围绕基于SnO2/CuO薄膜的SAWH2S气体传感器的设计与研制,性能评价与分析展开,同时对其检测H2S的响应机理进行分析和讨论。
首先,本文着重介绍了SAW气体传感器常见的响应机理以及物理吸附和化学吸附各自特点,为SAWH2S传感器的设计与性能分析奠定了理论基础。
接着,为降低器件损耗采用电极宽度控制的单相单向换能器结构(EWC/SPUDT),基于36°YXLiTaO3材料制作出中心频率约为147MHz的SAW延迟线。采用磁控溅射法在SAW延迟线的换能器之间淀积SnO2/CuO复合薄膜,并在450℃高温下煅烧2.5小时以改善薄膜的气敏性和稳定性。由薄膜表征结果知,所制备的敏感薄膜由纳米颗粒(25-30nm)组成,且表面分布着大量微气孔,有着良好吸附气体的形貌特征;其中SnO2为金红石结构,同时在薄膜表面分布着CuO颗粒,形成有效的SnO2/CuO复合薄膜。
然后,对所研制的传感器检测H2S吸附及脱附速率、灵敏度、选择性、线性度等特性进行了实验研究。实验结果表明,工作在190℃时,吸附和脱附速率最快;工作温度约在160℃,传感器检测H2S气体的灵敏度最高,对于20ppm H2S,工作频率的变化可达230kHz,且能检测到低浓度2ppm的H2S气体,相应的频率变化约为45kH,灵敏度要现有报道的WO3、TiO2等结果高出1-2数量级;并且,传感器对高浓度的乙醇、丙酮、H2具有抗干扰能力,表现出很好的气体选择性,同时也具备良好的线性度特性和重复性。另外,利用传感器对不同浓度气体的吸附速率不同,在相对较低的工作温度下(70℃)对实现传感器快速检测H2S气体进行了尝试。将原本较长的检测时间(约35min)分别缩短为300s,130s,对不同浓度的H2S进行检测。结果显示传感器的响应值与气体浓度都具有良好的线性关系,表明这种方法对实现低温下快速检测H2S气体是具有可行性。在本文中,还通过实验结果分析,明确地判断出声电效应不仅是该感器幅度响应的最主要响应机理,也是频率响应的最主要响应机理,而质量加载效应的影响相对很弱。