声表面波瓦斯传感器强选择瓦斯吸附薄膜的研究

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1、西安科技大学硕士学位论文声表面波瓦斯传感器强选择瓦斯吸附薄膜的研究专业名称：微电子学与固体电子学作者姓名：李海龙指导教师：张涛论文题目：声表面波瓦斯传感器强选择瓦斯吸附薄膜的研究专业：微电子学与固体电子学硕士生：李海龙(签名)指导教师：张涛教授(签名)摘要煤炭业在我国能源工业中占有主导地位，煤矿安全-尤其是煤矿瓦斯安全是煤炭行业头等大事。近十年来，我国在预防煤矿瓦斯事故方面投入了大量的人力和物力。为了减少矿井瓦斯爆炸与瓦斯突出事件的发生，改进瓦斯传感器的工作性能，研发新型瓦斯传感器的需求迫在眉睫。声表面波瓦斯传感

2、器灵敏度高、体积小，易于无线化和集成化，符合未来煤矿瓦斯传感器发展的必然趋势。本文以煤矿瓦斯安全为研究背景，分析了声表面波瓦斯传感器敏感薄膜的吸附机理及发展现状，利用不同的实验方法制备了无机物、有机物以及无机-有机复合材料瓦斯敏感薄膜。研究声表面波瓦斯传感器的强选择性瓦斯气体吸附薄膜，为该类传感器精确传感奠定坚实基础。本项研究主要包括以下几个方面：首先，基于密度泛函理论的第一性原理，采用平面波赝势方法，建立了CH4分子在氧化锡（SnO2）表面吸附模型。通过计算不同氧位置对CH4的吸附能，得到了多种吸附构型和最佳吸附位置，并对SnO2和CH4表

3、面电子态密度以及局域态密度进行了分析。研究发现，氧TOP位对CH4的吸附能很大，为-8.314eV，这为声表面波瓦斯传感器敏感薄膜的强选择性提供了理论依据。其次，通过溶胶-凝胶法合成SnO2溶胶，在相同条件下，以SbCl3为掺杂改性剂制备了不同掺杂浓度的改性SnO2溶胶，以期通过提高薄膜导电能力增强薄膜对瓦斯的强选择性。然后通过旋转涂膜法将溶胶旋转制膜沉积在硅基片上，采用XRD测试手段对薄膜形貌及结构进行表征。研究发现，经过退火处理的SnO2薄膜为四方金红石型结构，衍射峰分别对应其（110）、（101）晶相，Sb的掺杂并没有导致新相的生成。最

4、后，以化学氧化聚合法在酸性环境中制备导电聚苯胺（PANI），并制备不同氧化锡掺杂量的聚苯胺-氧化锡（PANI-SnO2）复合材料，以期结合有机与无机材料优点，增强薄膜的选择性。将材料溶解于N-甲基吡咯烷酮溶液中，之后运用Langmuir-Blodgett膜(LB薄膜)制备技术制备聚苯胺和聚苯胺-氧化锡薄膜。利用XRD、AFM测试手段对薄膜组成、微观结构和形貌进行表征。本研究成功制备出相应的粉体和薄膜，研究结果表明，粉体制备质量很好，但薄膜制备质量有待提高，LB膜的成膜质量与铺膜液的量、滑障压缩速度成正比。本文通过理论建模分析证明氧化锡薄膜对瓦

5、斯具有潜在的强选择吸附性，并成功实验制备出了氧化锡薄膜、掺杂Sb的氧化锡薄膜，氧化锡与聚苯胺复合薄膜以及聚苯胺薄膜，并对薄膜构成与结构进行了分析，后续将对相关掺杂薄膜进一步进行气体吸附性能分析，以为高精度声表面波瓦斯传感器制备奠定关键基础。关键词：SAW瓦斯传感器；瓦斯吸附薄膜；第一性原理；溶胶-凝胶法；LB膜法研究类型：应用研究基金项目：国家自然科学基金项目（61201088）；陕西省科技统筹计划项目（2012KTCL01-12）；陕西省教育厅产业化项目（2011JG10）；西安市科技局工业应用技术研发项目（CXY1125(8)，CX125

6、3(2)）；人事部博士后科学基金面上资助（20100471624）；陕西省优秀留学归国人员资助项目Subject:StudyonStrongSelectiveGasAbsorptionFilmofSurfaceAcousticWaveGasSensorSpecialty:MicroelectronicsandSolidStateElectronicsName:LiHailong(Signature)Instructor:Prof.ZhangTao(Signature)ABSTRACTThecoalindustryactsastheabsolu

7、tedominantroleinChina’senergyindustry,andthecoalminesafetyespeciallythegassafetyinmineisthemostimportantthing.Inrecentyears,muchmoneyandefforthavebeentakenforthepreventionofcoalminegasaccidents.Itisveryimportanttoinventnovelgassensorforreducingtheeventofgasexplosionandgasou

8、tburst.SurfaceAcousticWave(SAW)gassensorownshighsensitivity,smallsize,anditiseasyt