气体传感器的性能分析

图2.8.3　卷状、肺叶状、花状和球状ZnO 的氮吸附脱附曲线图

工作温度是半导体传感器重要的因素，气体传感器的灵敏度值在最佳工作温度时最高。为了确定最佳工作温度，在150 ～550 ℃的工作温度范围，对由涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 制成的传感器作出1×10-5 以下的乙醇气体的响应的函数。这里，最佳工作温度被定义为传感器对目标气体具有最高响应的温度。如图2.8.4所示，涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 传感器对工作温度呈现峰形依赖。从图中可以看出，所有的响应曲线随着工作温度的增加而增加，然后当温度进一步升高时逐渐降低。相对最佳工作温度可以做出如下解释：通常情况下，目标气体和吸附氧之间的反应性需要一定的活化能，这是通过提高反应温度而提供的。在低温下，吸附的目标气体分子没有足够的活化能去克服与吸附氧物质反应的活化能势垒，而在高温下，气体吸附很难完全地补偿增加的表面反应性。此外，可以观察到，在300 ℃的最佳工作温度下，所有ZnO 传感器具有最大的气体响应。涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 传感器的最大气体响应估计分别为6.3，34.2，23.6 和86.3。因此，300 ℃是涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 传感器的最佳工作温度，选择这个去进一步检查传感器的特性。在所有三个传感器中，由球状ZnO 传感器制成的传感器在几乎所有测量的温度下对乙醇气体的响应最高，这表明球状ZnO 的形态是进一步提高ZnO 气敏性能的关键。显然，气体响应增强可归因于独特的球状层状结构具有最大比表面积，从而促进目标气体分子的吸附。

图2.8.4　在150 ～550 ℃的工作温度范围，对由涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 制成的传感器对乙醇的灵敏度

图2.8.5 显示了在300 ℃的工作温度下用涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 制造的传感器对乙醇的响应恢复特性。当测试气体进入时，气体响应急剧增加；当测试气体出去时，气体响应恢复到原始状态。四个传感器的关键区别在于球状ZnO 传感器的响应以最急剧的方式增加。基于上述定义，对涡旋状ZnO 传感器[图2.8.5（a）]、肺叶状ZnO 传感器[图2.8.5（b）]、花状ZnO 传感器[图2.8.5（c）]和球状ZnO 传感器[图2.8.5（d）]的响应和恢复时间分别评估为10 s 和12 s、13 s 和15 s、18 s和16 s、8 s 和10 s。球状ZnO 传感器显示出最短的响应和恢复时间，这表明吸附的气体分子可以以简单的方式从球状ZnO 传感器的表面和内部解吸。这进一步表明，通过简单的水热法合成的球状ZnO 的三维分层结构可能在改善气敏性能方面起关键作用，因此作为现场检测乙醇最有前途的传感材料。

图2.8.5　在300 ℃的工作温度下用涡旋状、肺叶状、花状和球状ZnO 制造的传感器对乙醇的响应恢复特性

关于检测乙醇的实际应用，我们进一步测量球状ZnO 传感器在300 ℃的最佳操作温度下的气敏特性。图2.8.6 显示了球状ZnO 传感器对不同浓度的乙醇气体的感测性能。当气体浓度增加到4×10-5 时，气体响应急剧增加，当浓度进一步增加，气体响应增加很缓慢。气体响应在乙醇浓度为7×10-5 时达到饱和。有趣的是，当气体浓度从0.1 增加到5×10-6[图2.8.6（a）的插图]时，气体响应几乎呈线性增加，这暗示着球状ZnO 传感器甚至在低气体浓度下工作。图2.8.7 显示出了在浓度1×10-5 下球状ZnO 传感器对7 种VOC 气体的响应。结果表明，对乙醇的响应达到最大值86.3。这意味着球形ZnO 可以作为现场检测乙醇的有效材料。图2.8.8 表示在不同浓度乙醇中气体响应呈现代表性的可逆循环，其中可以看到响应和恢复特性再现良好，没有明显的衰减。传感器的长期稳定性也在图2.8.9 中确定。在不同条件下（0.5×10-6，1×10-6 和2×10-6 乙醇）测试约6 周内的气体反应演变。对于0.5×10-6、1×10-6 和2×10-6 乙醇气体，气体响应分别略有变化，分别为4.2%，3.1%和1.5%，这表明传感器在整个循环测试中具有良好的稳定性。这些意味着球状ZnO传感器在开发用于乙醇气体现场检测的实用传感器装置方面具有实际意义。

图2.8.6　球状ZnO 传感器对不同浓度的乙醇气体的感测性能(www.xing528.com)

图2.8.7　球状ZnO 传感器在浓度1×10-5 下对7 种VOC 气体的响应

图2.8.8　不同浓度乙醇中气体响应呈现代表性的可逆循环

图2.8.9　气体传感器的长期稳定性

对于由ZnO 纳米片组装的4 个ZnO 分层结构，ZnO 传感器的感测机制是基于氧吸附产生的电阻变化。如图2.8.10 所示，当ZnO 纳米片暴露在空气中时，来自空气的氧分子吸附在ZnO 纳米片的表面上，并通过从ZnO 的导带捕获游离电子而离子化为O-或O2-，根据以下等式：

图2.8.10　ZnO 材料的气体敏感机理

这导致形成电子耗尽层，其随后降低载体浓度。当ZnO 传感器暴露于乙醇时，乙醇气体与ZnO 纳米片表面上吸附的氧物质反应。乙醇的反应位点处于O—H 键，这将破坏氧和氢之间的键。随后分子在吸附位点处通过氧化/燃烧产生电子，结果被俘获的电子被释放回ZnO 的导带，增加了电子的浓度，最终提高了ZnO 传感器的导电性。