新型室温表面光电压气体传感器装置(二氧化氮气体为测量试验气体)(2)

2.材料与方法

    如上所述，在构成的气体传感器装置中，多孔的 ZnO纳米结构的薄膜用传感器材料。使用一个两步法来构造薄膜：首先，厚度3 μm的纳米结构多孔Zn薄，沉积Si（100）基板上——使用一个萨里纳米体系反应器模型1000C（Surrey NanoSystems, Newhaven, UK），通过99.95%纯Zn直流电（DC）反应磁控溅镀，在一个6N氩气/氧气溅射混合物（氧气浓度33%，总工作压1.5 mTorr）中，2小时。随后，为了得到上述纳米结构 ZnO薄膜，使用一个SHS-100快速热处理（RTP）熔炉（Mattson Technology, Fremont, CA, USA）15分钟，在800°C的 6N纯度氧气流中移位氧化这些多孔的Zn薄膜。以这种形式，用它们作为Kelvin型气体传感器系统（装置）中活动面积为10 × 10 cm的气体传感电极（上面提到的电极）。别的技术细节，连同大量化学与形态学基本特征，在波兰华沙电子技术研究所实施了选择的试验方法，已在在别处描述[29,30]。

    我们最近一些试验，二氧化锡SnO2薄膜纳米结构，作为普通地用于氧化物气体敏感材料的研究 [31]，这些多孔的 ZnO 纳米结构薄膜局部表面化学，在波兰格利维采西里西亚工业大学电子研究所，由 X-射线光电子光谱学（XPS）方法控制。 XPS研究的试验细节，叙述在我们最近论文里 [32]。 

    精致的表面光电压（SPV）气体传感系统包括3个主要部分，见图1。除了典型气体流系统，含选择的气体，带有多进口阀的质量流控制器，SPV气体传感系统还包括SPV气体传感检测系统， 连同数据处理和收集的微控制器处理系统。精致的表面光电压（SPV）气体检测系统，基于反向凯尔文探针扁平振动电容器系统。电容子系统包括多孔的ZnO 纳米结构薄膜作为扁平气体传感器材料，起活性电极的作用，连同参照物：扁平Cu铜金属栅电极（译者注:图中"格栅"），在使用交流电压发生器进行压电驱动后，Cu电极在特制的振动悬臂梁上。

图1：精致的表面光电压（SPV）气体传感系统的简单方块图。图中，UVLED: 紫外发光二极管

 

    测量交替SPV信号作为气体敏感材料（涉及振动参比铜电极）的功函数变量，作为当UV5-400-30型 LED二极管（美国CA尔湾比亚尔公司）紫外照射后, 表面带弯曲偏移变化的结果。应指出，用静态参比铜电极，连同由各自驱动器调整的紫外LED灯，也能测量交替SPV信号。然而，最新的方法，不允许现象识别（现象识别负责表面电位变化）。换句话说，在复杂的气体传感器系统，势垒是固定电荷电势之和，固定电荷电势可能源自吸附的物种、严格表面区域气体分子重组，和可控硅区域（SCR）载流子生成与再分配。

    对于选择的气体SPV信号响应的收集与测量， 微控制器处理系统，用来容纳：数据处理控制单元，和与其一起工作的有，I/V光电流转换器（放大器），相应的DAC 和 ADC转换器，最后还有反向凯尔文探针扁平振动电容器系统的零点自补偿锁相放大器。而且，微控制器处理系统装配USB-UART转换器，以便连接笔记本电脑，使得我们SPV气体传感器系统成为一个移动装置。在我们精致的SPV气体传感器系统（装置）试验中，使用气体混合物（在标准合成空气中，含不同浓度的纯二氧化氮NO2）。

原著:M.Kwoka,OrcID, Michal A. Borysiewicz, P. Tomkiewicz, A. Piotrowska,J. Szuber  2018.6.29

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