基于二氧化钛的声表面波传感器的气敏性能研究.pdf

摘要

声表面波（SAW）是一种机械波，在传播过程中其大部分的能量都集中在介

质表面，因此对于外部环境的变化极为敏感，任何外部刺激都可能引起频率的变

化。基于声表面波技术的气体传感器利用声表面波的特性，将被测量转换为便于

处理的电信号，具有体积小、易于集成、灵敏度高以及适合无线操作的优势，有

研究与发展的前景。TiO2是一种宽带隙n型半导体，具有独特的电学、光学、催

化性能，以及无毒、低成本和高稳定性的优点，常作为气体传感器的敏感材料，

但其工作温度较高、灵敏度和选择性差。因此，本论文研究了增强TiO2材料气敏

性能的策略，制备了基于Pd/TiO双层膜的SAW二氧化氮（NO）气体传感器和

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基于CuO-TiO复合膜的SAW硫化氢（HS）气体传感器。

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使用旋涂法在ST-cut石英衬底上制备TiO膜后，使用滴涂法在TiO膜上覆盖

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Pd层，以获得Pd/TiO双层膜SAWNO气体传感器。相比于纯TiO膜SAW传感

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器，带有Pd/TiO2双层膜的SAW传感器具有更好的NO2传感性能，这归功于贵金

属Pd的催化解离特性。Pd能催化O和NO气体分子分解，从而增强敏感膜上的

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反应。气敏性实验表明，Pd/TiO2膜SAW传感器具有较高的灵敏度，对于10ppm

NO2气体产生的响应为-3100Hz，对于100ppmNO2气体响应达到-14867Hz。在

2-100ppm浓度区间内传感器表现出优秀的线性度，其斜率为~-137Hz/ppm。此外，

传感器表现出较好的短期重复性、长期稳定性以及选择性。暴露于NO2气体时，

敏感膜吸附气体分子导致质量增加，是传感器负频率响应的主要原因。

使用溶胶凝胶法与旋涂技术在ST-cut石英衬底上制备CuO-TiO复合膜，以获

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得基于CuO-TiOp-n异质结的SAWHS气体传感器。在1~50ppm浓度范围内，

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传感器检测HS气体的灵敏度为~-1.641kHz/ppm。在50~300ppm浓度范围内，传

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感器灵敏度降低，这与声电参数工作点的位置有关。传感器的高灵敏度归功于

CuO-TiO薄膜对HS气体有明显的电流响应，以及传感器的声电参数工作点位于

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高灵敏度区域。此外，CuO-TiO复合膜表面具有大量孔隙，有利于对HS气体分

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子的吸附，增强传感器性能。在实验中，传感器还展现出优秀的选择性以及较好

的稳定性，并且在不同的温湿度下仍然具备检测HS气体的能力。

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关键词：声表面波传感器，气敏性能，二氧化钛，二氧化氮，硫化氢

ABSTRACT

SurfaceAcousticWave(SAW)isamechanicalwavethatmostofitsenergy

concentratesonthesurfaceofthemedium,ma