基于氧化锌纳米棒的灵敏薄膜声表面波气体传感器的研究

Surface acoustic wave (SAW) gas sensors have the combined advantages of simple operation, fast response time, high sensitivity, small size, and especially the ability for wireless or remote sensing. In order to make the SAW gas sensors put into better practical application, further study is required to reduce it cost, improve the sensitivity and selectivity of gas detection performance.This proposal is aiming to combine advanced thin film SAW technology and novel ZnO nanorods material，design and fabricate sensitive thin film SAW gas sensors based on ZnO nanorods, which have good sensitivity and selectivity performed at room temperature, as well as low cost by optimizing the growth parameters of nanorods and modifying its surface through doping. The research activities include: fabrication of ZnO thin film based SAW devices; optimized growth of ZnO nanorods; measurement of gas sensensing properties for thin film SAW gas sensors based on ZnO nanorods;and improvement of gas sensing sensitivity and selectivity by modifying the surface of nanarods through doping. This study can provide technique support for the final practical application of SAW gas sensors, and have some academic and practical value.

声表面波（SAW）气体传感器具有操作简单、响应时间快、灵敏度高、体积小等优点，尤其是具有无线传感的能力。为了让SAW 气体传感器更好的投入实际应用，还需要进行不断的研究，降低其制作成本、提高气体探测灵敏度和选择性等性能。本项目旨在把先进的薄膜声表面波技术和新颖的ZnO纳米棒材料结合起来，设计和制备出基于氧化锌纳米棒的灵敏薄膜SAW气体传感器，通过优化纳米棒的生长参数和对其进行表面掺杂改性，实现器件在室温下具有较高气体检测灵敏度和选择性，并且具有合适的制作成本。研究内容主要包括：制作ZnO薄膜声表面波器件；优化生长ZnO纳米棒；测试基于氧化锌纳米棒的薄膜SAW气体传感器的气体传感特性；对纳米棒进行表面掺杂改性，提高该气体传感器的灵敏度和选择性。本项目的研究，可为SAW气体传感器最终实现实际应用提供技术支撑，具有一定的学术价值和应用价值。

声表面波气体传感器优点众多，已经成为传感器研究领域的热点。ZnO纳米棒是一种高灵敏的气敏材料。本项目旨在把先进的声表面波技术和新颖的ZnO纳米棒材料结合起来，设计和制备出基于氧化锌纳米棒的声表面波气体传感器，通过优化纳米棒的生长参数和对其进行表面掺杂改性，实现器件在室温下具有较高气体检测灵敏度和选择性，并且具有合适的制作成本。. 主要研究内容包括：1）搭建出气体传感测试系统；2）制备出符合设计要求的ZnO薄膜以及ST切石英声表面波器件；3）优化ZnO纳米棒的生长参数，制备出基于氧化锌纳米棒的薄膜以及石英声表面波气体传感器；4）测试室温下不同浓度的待测气体的传感响应；5）通过对敏感膜进行掺杂改性，提高气体传感器的灵敏度和选择性，获得了测试浓度为ppm量级的灵敏NH3传感器。. 重要结果包括：1）制作了基于ZnO/SiO2双层膜的ST切石英声波器件氨气传感器的性能，结果表明传感器的灵敏度依赖敏感薄膜的电导率，顶层ZnO厚度为60 nm的器件具有最好的传感响应性能，在30 ppm氨气环境下具有2000 Hz的频率偏移，并且具有很好的稳定性和重复性。2）制作了基于Co3O4/SiO2复合膜的ST切石英声波器件氨气传感器的性能，结果表明SiO2的加入提高了敏感膜对氨气的响应，含有50% Co3O4的复合膜具有最好的传感响应；在室温和1 ppm氨气的氛围下，器件具有3500Hz的频率偏移，同时具有很好的选择性、稳定性与重复性。3）研究了基于溶胶-凝胶SiO2膜的声表面波湿度传感器的响应特性及机制，结果表明薄膜的电导率变化以及质量负载效应导致了声表面波传感器的湿度响应，其中质量负载效应起主要作用；由于SiO2膜比其它半导体氧化物（ZnO、Co3O4、CuO以及TiO2）薄膜有更大的孔隙率，所以，基于溶胶-凝胶SiO2膜的声表面波湿度传感器有更大的频率响应，同时，随着SiO2膜的厚度增加响应增强；对于厚度约230 nm的传感器，在相对湿度从30%变化到93%后，频率下降520 KHz。. 本项目的研究，可为SAW气体传感器最终实现实际应用提供技术支撑，具有一定的学术价值和应用价值。