實(shí)驗(yàn)報(bào)告范本

1、«*>University of Electronic Science and Technology of China研究生實(shí)驗(yàn)報(bào)告（范本）實(shí)驗(yàn)課程：新型傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)名稱： 聚苯胺復(fù)合薄膜氣體傳感器的制備與測(cè)試實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 光電420學(xué)生姓名：（范本）學(xué) 號(hào)：（范本）指導(dǎo)教師：（范本）實(shí)驗(yàn)時(shí)間：年 月 日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜る娮栊蜌怏w傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行基于聚苯胺敏感薄膜的氣體傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 材料制作、材料表征、探測(cè)單元制作與測(cè)試、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，通過該實(shí)驗(yàn)獲得氣體傳感器從設(shè)計(jì)到 性能測(cè)試完整的實(shí)驗(yàn)流程，鍛煉同學(xué)學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力和分析問題能力。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、理解電阻式氣

2、體傳感器工作原理2、進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、進(jìn)行敏感材料的合成與測(cè)試4、開展氣體傳感器制作5、器件性能測(cè)試與分析討論三、實(shí)驗(yàn)原理氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類，是氣體檢測(cè)系統(tǒng)的核心,通常安裝在探測(cè)頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)氣敏特性來分類，主 要分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、 石英諧振式氣體傳感器、表面聲波氣體傳感器等。氣體傳感器的檢測(cè)原理一般是利用吸附氣體與高分子半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電子授受的關(guān)系，通過檢 測(cè)相互作用導(dǎo)致的物性變化從而得知檢測(cè)氣體分子存在的信息，大體上可以分為：(l) 氣體分

3、子的吸附引起聚合物材料表面電導(dǎo)率變化(2) p 型或 n 型有機(jī)半導(dǎo)體間結(jié)特性變化(3) 氣體分子反應(yīng)熱引起導(dǎo)電率變化(4) 聚合物表面氣體分子吸、脫附引起光學(xué)特性變化(5) 伴隨氣體吸附脫附引起微小量變化對(duì)于電阻型氣體傳感器，其基本的機(jī)理都是氣體分子吸附于膜表面并擴(kuò)散進(jìn)體內(nèi)，從而引起膜 電導(dǎo)的增加，電導(dǎo)變化量反應(yīng)了氣體的濃度情況。四、實(shí)驗(yàn)器材電子天平 BS2245: 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司KSV5000 自組裝超薄膜設(shè)備 :芬蘭 KSV 設(shè)備公司Keithley2700 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) :美國(guó) Keithley 公司KW-4A 型勻膠機(jī)：Chemat Technologies Inc.8

4、5-2型恒溫磁力熱攪拌機(jī)：上海司樂儀器公司優(yōu)普超純水制造系統(tǒng)：成都超純科技有限公司動(dòng)態(tài)配氣裝置北京匯博隆儀器S-450型掃描電鏡：日本日立公司UV1700紫外一可見分光光度計(jì)：北京瑞利分析儀器公司BSF-GX-2型分流式標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心、北京耐思達(dá)新技術(shù)發(fā)展公司五、實(shí)驗(yàn)步驟1、電阻型氣體探測(cè)器工作原理認(rèn)識(shí)（見三、實(shí)驗(yàn)原理）2、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電阻型氣體探測(cè)器基于敏感薄膜電阻變化來進(jìn)行氣體濃度測(cè)定，因此電阻是探測(cè)器件的一個(gè)重要參數(shù)。叉指電極結(jié)構(gòu)測(cè)量出的電導(dǎo)可由下式表示： （- 一 d）c = （ <7d Nd其中L和W為叉指電極基底的長(zhǎng)度和寬度，N為叉指電極的數(shù)目對(duì)數(shù)， d

5、為兩相鄰電極之間的間距，b為薄膜的本征電導(dǎo)率。結(jié)合基底尺寸、材料電導(dǎo)率和工藝能力可以設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的叉指結(jié)構(gòu)，獲得較顯著的電學(xué)輸出信號(hào)。圖1、基于敏感膜的氣體傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖圖1為設(shè)計(jì)的電阻型氣體傳感器結(jié)構(gòu)，在絕緣襯底上制作叉指電極，然后在叉指電極上制作敏感薄膜，通過測(cè)試兩個(gè)叉指電極間的電學(xué)信號(hào)，可獲得敏感薄膜的電阻信息。設(shè)計(jì)完成的整個(gè)氣體傳感器的制作流程示意圖如圖 2所示。rrSiIF圖2、氣體傳感器制作工藝流程示意圖睫射 導(dǎo)電 金層詳細(xì)流程可表述為：硅片清洗一硅片表面氧化一濺射生長(zhǎng)NiCr合金一濺射生長(zhǎng)金一勻膠、顯影、曝光、去膠一刻蝕金屬層(KI、硫酸)一中測(cè)一劃片一測(cè)試在器件的制作中，

6、所使用的基片是電阻率為0.7-1 ? cm的n型單晶硅片(100取向)。其上氧化生長(zhǎng)二氧化硅作為絕緣層，然后濺射鎳鉻合金 (200-300 ?)，以提高金電極的附著性。其后再在鎳鉻合金上濺射導(dǎo)電的金層(400500?)，采用負(fù)膠光刻，電極間距和寬度相等，為50 pm，整個(gè)器件尺寸大小為 8*5mm 2，該設(shè)計(jì)由自己完成，工藝由成都亞光電子股份有限公司加工。3、聚苯胺復(fù)合薄膜制備(1) 基片預(yù)處理本實(shí)驗(yàn)采用表面拋光的石英玻片和平面叉指金電極作為成膜基片。將表面拋光的石英基片先后放在:(l)表面活性劑和水的混合液;(2)去離子水;(3)乙醇;(4)丙酮中分別超聲清洗0.5h,以除去表面污垢和油潰。

7、然后將清洗過的石英基片放入7:3濃硫酸/過氧化氫溶液及1:1:5氨水/過氧化氫/水溶液中各超聲清洗0.5h使得表面清潔，同時(shí)通過這一步使基片表面親水。處理后的石英基片存放在超純水中待用。將清洗好的石英基片及平面叉指電極式器件浸入1%PDDA水溶液15min,取出后用去離子水洗滌,再用氮?dú)獯蹈?，此時(shí)基片表面呈正電性；再將基片浸入Pss溶液(2mg/inl,鹽酸調(diào)節(jié)PH=12)中15min, 取出后用去離子水洗滌并吹干，此時(shí)基片表面呈負(fù)電性。(2) 聚苯胺PANI/TiO 2復(fù)合薄膜制備方法對(duì)于經(jīng)過聚電解質(zhì)(PSS)處理后的基片，聚電解質(zhì)自組裝膜在基片表面引入了極性基團(tuán)，在聚合 反應(yīng)的開始階段，基

8、片上-SO-3基團(tuán)與酸性條件下苯胺單體和聚苯胺低聚合物上的N+通過靜電吸引作用形成離子對(duì)，將其吸附在基片表面，形成均勻的聚合中心，進(jìn)行鏈生長(zhǎng)。同時(shí)，混合液中的TiO2納米粒子起著原位吸附聚合載體的作用，苯胺單體吸附在TiO2納米粒子表面，氧化劑(NH4)2S2O8引發(fā)單體在TiO2納米粒子表面進(jìn)行聚合，這導(dǎo)致了聚合物圍繞TiO2粒子的受限生長(zhǎng)，從而獲得 TiO2納米粒子表面覆蓋 PANI的復(fù)合薄膜。用移液管取0.2 ml TiO2溶膠，加去離子水稀釋至 0wt% ;超聲15min備用。室溫下，將超聲過 的TiO2溶膠加入到20mL 2.0mol/L的鹽酸溶液中，在適度的攪拌下，將0.1mL苯胺

9、單體加入其中。為了避免苯胺單體快速氧化，邊攪拌邊將適量的(NH 4)2S2O8的鹽酸溶液緩慢逐滴滴入到混合液中，體系的顏色由透明逐漸加深，變?yōu)闇\藍(lán)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槟G色。適度攪拌5min后，用0.45um的有機(jī)過濾器過濾。(NH4)2S2O8和苯胺單體物質(zhì)的量之比為1:1。運(yùn)用芬蘭KSV公司的自組裝系統(tǒng)制備 HCI摻雜PANI/TIO 2自組裝納米復(fù)合薄膜。將預(yù)處理后的基片浸入到PANI/TiO 2濾液中，反應(yīng)20min，取出基片，在空氣中自然晾干后放置在純凈的氮?dú)庵斜４妗?3) HCI和PTSA摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜制備方法HCI和對(duì)甲苯磺酸(PTSA)是常見的聚苯胺質(zhì)子酸摻雜劑。HC

10、I摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜制備同前所述。PTSA摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜制備工藝如下：取1.9g對(duì)甲苯磺酸，溶于10ml去離子水中；再配置0.1254g (NH 4)2S2O8溶于10ml鹽酸溶液中， 待用；用移液管取 0.2ml TiO2溶膠，加去離子水稀釋至0.lwt% ;將10ml對(duì)甲苯磺酸溶液與 TiO?溶膠溶液混合，超聲15min備用。室溫下，在超聲過的對(duì)甲苯磺酸溶液和TiO?溶膠混合溶液中，將0.1mL苯胺單體加入其中。為了避免苯胺單體快速氧化，邊攪拌邊將適量的(NH 4)2S2O8的水溶液緩慢逐滴滴入到混合液中，體系的顏色由透明逐漸加深，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槟G色。適度攪拌

11、5min后，用0.45um的有機(jī)過濾器過濾。(NH4)2S2O8和苯胺單體物質(zhì)的量之比為1:1。運(yùn)用芬蘭 KSV公司的自組裝系統(tǒng)制備PTSA摻雜PANI/TiO 2自組裝納米復(fù)合薄膜。將預(yù)處理后的基片浸入到PANI/TiO 2濾液中，反應(yīng)20min，取出基片，在空氣中自然晾干后放置在純凈的氮?dú)庵斜４?。?duì)三種復(fù)合薄膜微觀形貌進(jìn)行 SEM測(cè)試表征如圖3所示。PANI/TiO 2復(fù)合薄膜HCI摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜 PTSA摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜圖3三種復(fù)合薄膜微觀形貌進(jìn)行SEM測(cè)試24(4) 聚苯胺復(fù)合薄膜氣體探測(cè)器制備與測(cè)試采用自主裝或者噴涂的方法將復(fù)合薄膜制備到帶有叉指電極

12、的襯底上，并在室溫下進(jìn)行干燥小時(shí)，獲得氣體傳感器器件。金厲夾焊點(diǎn)引技圖4器件測(cè)試引線示意圖電路槻圖5氣體探測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的搭建示意圖4所示。在制作完成敏感5所示。因叉指電極無法直接連接到測(cè)試儀器，需要設(shè)計(jì)外部電極連接，如圖 薄膜，并進(jìn)行干燥后，可以進(jìn)行氣體敏感性能的測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的搭建示意圖如圖六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（數(shù)據(jù)和圖表）3.0,1+1 WHi0S001000150020002500m <8）PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器響應(yīng)恢復(fù)性能圖6 PANI/TiO 2復(fù)合薄膜及純純PANI薄膜傳感器響應(yīng)恢復(fù)性能PANI薄膜相應(yīng)性能測(cè)試結(jié)果室溫條件下，將制備好的PANI/TiO 2復(fù)合薄膜和PANI

13、薄膜氣體傳感器放入測(cè)試腔中，通入不同 濃度的NH3氣體（本實(shí)驗(yàn)分別通入 23ppm, 47ppm, 70ppm, 94ppm, 117ppm,141ppm），測(cè)試其響應(yīng)恢復(fù) 特性，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) NH3氣體通入時(shí)，PANI/TiO 2復(fù)合薄膜和PANI薄膜傳感器的電阻 均急劇上升，響應(yīng)很快，這是由于氣體在薄膜表面發(fā)生了吸附效應(yīng)。隨著時(shí)間的增加，電阻增大速度降低，這是由于氣體在薄膜內(nèi)發(fā)生了較慢的體擴(kuò)散。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，薄膜的電阻趨于穩(wěn)定。而剛脫離氣體環(huán)境時(shí)，電阻立即下降，恢復(fù)較快。測(cè)試同時(shí)發(fā)現(xiàn)，PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì) NH3的響應(yīng)趨近于穩(wěn)定，而 PANI薄膜傳感器對(duì) NH

14、3的響應(yīng)一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，很難達(dá)到穩(wěn)定。NH3»E度（ppm）圖7 PANI/TiO 2復(fù)合薄膜及純PANI薄膜傳感器靈敏度對(duì)比結(jié)果PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì) NH3有較好的靈敏度，靈敏度隨氣體濃度的增大而增大，且比PANI薄膜傳感器的靈敏度要高的多。PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器和 PANI傳感器對(duì)NH3的響應(yīng)時(shí)間隨著氣體濃度的增大而減小，對(duì) 14lppm NH 3的響應(yīng)時(shí)間最小。而總體而言， PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì) 不同濃度NH3氣體的響應(yīng)及恢復(fù)均比 PANI薄膜傳感器要快，在高濃度響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1s,詳細(xì)結(jié)果如表格1所示。表1 PANI/TiO 2復(fù)合

15、薄膜及純PANI薄膜傳感器對(duì)不同濃度氨氣的相應(yīng)時(shí)間（T”及恢復(fù)時(shí)間仃2）NH3 濃度(ppm)7/sPANI/TOiPANIPANI/TiOzPANI23169111747T256il70r 264894374811715481411439室溫條件下，將制備好的鹽酸摻雜和對(duì)甲苯磺酸摻雜PANI/TQ2復(fù)合薄膜氣體傳感器放入測(cè)試腔中，通入不同濃度的NH3氣體（本實(shí)驗(yàn)分別通入 23ppm, 47ppm, 70ppm, 94ppm, 117ppm,141ppm），測(cè)試其響應(yīng)恢復(fù)特性，如圖8所示。（a） HC1摻雜PANlffiCh復(fù)合薄膜傳感器PTSA摻雜PAN1H1O2復(fù)合薄膜傳輔器圖8不同摻雜的

16、PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì)氨氣的響應(yīng) -恢復(fù)特性當(dāng)NH3氣體通入時(shí)，鹽酸摻雜和對(duì)甲苯磺酸摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器的電阻均急劇上升，隨著時(shí)間的增加，經(jīng)過一段時(shí)間逐漸達(dá)到穩(wěn)定值。當(dāng)剛脫離被測(cè)氣體環(huán)境，暴露在空氣中時(shí)，電阻立即下降，恢復(fù)較快。因此鹽酸摻雜和對(duì)甲苯磺酸摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì) NH3均表現(xiàn)出較好的響應(yīng)恢復(fù)特性。間的關(guān)系曲線見圖 9。從圖中可以看出，鹽酸摻雜PANI/TQ2復(fù)合薄膜傳感器對(duì)不同濃度的NH3氣體的靈敏度普遍比對(duì)甲苯磺酸摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器更高些。濃度(ppm)圖9不同摻雜的PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì)氨氣的靈

17、敏度對(duì)比特性表2不同摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì)不同濃度氨氣的相應(yīng)時(shí)間（Ti）及恢復(fù)時(shí)間（T2）NHa 濃度(ppm)Ti/s|HC1摻雜 PANirrio21 PTSA摻雜 PANI/HOzHC1摻雜PANVTiO2PTSA摻雜PANFTiO223r 6斗1122472261217012441394324191171343114112342室溫下，鹽酸摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜和對(duì)甲苯磺酸摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì)不同濃度NH3氣體的響應(yīng)時(shí)間（）及恢復(fù)時(shí)間（T0，如表2所示。由表可知，總體而言，鹽酸摻雜 PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器對(duì)NH3氣體的響應(yīng)及恢復(fù)均比對(duì)甲苯磺酸摻雜PANI/TiO 2復(fù)合薄膜傳感器要快，尤其恢復(fù)時(shí)間要快得多。七、結(jié)果分析與結(jié)論針對(duì)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果的分析討論在前一節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中已經(jīng)進(jìn)行了對(duì)比和分析，詳見前一節(jié)。其中重要的結(jié)論如下:TiO 2摻雜的聚苯胺薄膜相對(duì)單純的聚苯胺薄膜傳感器在探測(cè)氨氣時(shí)的靈敏度有了近一倍的增加