1设计的目的及意义

液氨用途广泛，可作医药和农药原料、有机化工产品的氨化原料以及降温制冷剂。但液氨存储不当可能会导致氨气泄漏，氨气是一种有刺激性气味有毒有害且易燃易爆炸的气体，可以直接参与并加速大气中铵盐的形成，对大气中雾霾颗粒的形成起到至关重要的作用^[1]。氨气可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构，对皮肤组织具有腐蚀和刺激作用^[2-4]。人类处于氨气含量为700mg/m³的环境中持续半个小时即可中毒，而当浓度达到1750～4000mg/m³则可危及生命^[1]。故而针对氨气的气敏传感器具有一定的研究意义和实用价值，以便我们及时发现对我们有危及性的氨气浓度从而做出相应的措施。

目前氨气传感器气体传感器按照气敏特性可分为半导体传感器、电化学传感器、接触燃烧式传感器、红外吸收型传感器、声波传感器、高分子传感器等。在这些传感器中应用最为广泛的是半导体氨气传感器，约占总的氨气传感器的60%^[5]。

半导体气体传感器主要分为两大类：(1)无机半导体气体传感器，目前研究比较多的气敏材料包括SnO₂、ZnO、In₂O₃、WO₃、TiO₂、Fe₂O₃、Fe₃O₄、CuO、Al₂O₃等^[6,7]，除此之外还包括复合金属氧化物，复合金属氧化物主要为钙钛型(ABO₃)和K₂NiF₄(A₂BO₄)两种结构；(2)有机半导体气体传感器，主要是酞菁类聚合物为代表的敏感材料^[7]。

下面列举了一些半导体气体传感器的研究。国内有周兰娟^[8]等人在研究碳纳米管修饰Zn₂SnO₄薄膜的氨气传感器，该传感器在室温下对氨气具有较好的气敏响应，包括较高的灵敏度、较快的响应－恢复特性和稳定性等^[8]。国内有Zaman等人在研究生物组装CuS的氨气传感器，其优点是灵敏度高，但它的缺点是响应时间长^[4]。

本课题选择以ZnO为气敏材料应用于氨气传感器。ZnO是一种常见的直接带隙宽禁带n型半导体氧化物，其制备工艺简单、原料丰富、无毒无害，以及有着优越的光电性能，是最具有发展前景的金属氧化物半导体气敏材料之一^[9,10]。并且ZnO气敏元件主要有烧结型、厚膜型、薄膜型三种.由于薄膜ZnO,尤其是纳米结构ZnO薄膜具有灵敏度高、响应快、易于集成化等特点,具有更好的发展潜力和应用前景^[11]。国内有王涛等人研究的氧化锌与还原氧化石墨烯复合材料的氨气传感器，其优点有响应速度快，响应时间短，选择性好，稳定性好。此外，该传感器尺寸非常小，功耗低^[5]。国外有Ander等人研究聚苯乙烯磺酸钠修饰ZnO纳米陶瓷纤维在室温下对氨气的检测，其优点是响应速度快，响应时间短，选择性好^[12]。

在选择以氧化锌为气敏材料应用于氨气传感器之后，首先要验证氧化锌的氨气传感特性，如灵敏度、响应－恢复特性、选择性及稳定性^[13]。当探究了氧化锌薄膜与氨气的传感特性之后，想要提高灵敏度并且降低其响应时间。必须考虑到其他影响因素，如温度的变化，可能使氧化锌中的处于价带的电子吸收能量跃迁到导带电子，便于与外界交换电子，从而有可能对氧化锌的氨气气敏特性产生影响，而氧化锌的结构^[14]的不同会使氧化锌对气体的吸附性不同，这使得当还原性气体氨气通入后，会使得氧化锌从中获得的电子数不同，从而有可能对氧化锌的氨气气敏特性产生影响。

2. 研究的基本内容与方案

2研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计目标

本次设计依据电阻型金属氧化物半导体气体传感器气敏机理^[7]，测量在一定浓度的氨气（N₂和O₂为背景气体）中氧化锌薄膜的导电性变化情况，分析其基本的响应机制;测量不同影响因素下的氧化锌气敏特性，分析并总结各因素对于氧化锌薄膜的氨气气敏特性的影响。

2.2设计基本内容

(a)探究氧化锌薄膜的氨气气敏特性

先用磁控溅射法^[15]制作一个氧化锌薄膜，并测得其电阻，再在相同的环境下通入不同浓度的氨气，分别测得此氧化锌薄膜的电阻。记录下数据并生成曲线图，从而得出氧化锌薄膜的氨气气敏特性。