实验报告格式模板.docx

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1、实验报告格式模板研究生实验报告（范本）实验课程：新型传感器技术 实验名称：聚苯胺复合薄膜气体传感器的制备与测试 实验地点：光电420学生姓名：（范本）学 号： （范本）指导教师：（范本）实验时间： 年 月 日一、实验目的熟悉电阻型气体传感器结构及工作原理，进行基于聚苯胺敏感薄膜的 气体传感器的结构设计、材料制作、材料表征、探测单元制作与测试、实 验结果分析，通过该实验获得气体传感器从设计到性能测试完整的实验流 程，锻炼同学学习能力、动手能力和分析问题能力。二、实验内容1、理解电阻式气体传感器工作原理2、进行传感器结构设计3、进行敏感材料的合成与测试4、开展气体传感器制作5、器件性能测试与分析讨

2、论三、实验原理气体传感器是化学传感器的一大门类，是气体检测系统的核心，通常安 装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化 成对应电信号的转换器。根据气敏特性来分类，主要分为半导体气体传感 器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光学式气体传感器、 石英谐振式气体传感器、表面声波气体传感器等。气体传感器的检测原理一般是利用吸附气体与高分子半导体之间产生 电子授受的关系，通过检测相互作用导致的物性变化从而得知检测气体分 子存在的信息，大体上可以分为：(1) 气体分子的吸附引起聚合物材料表面电导率变化(2) p型或n型有机半导体间结特性变化(3) 气体分子反应热引起导电

3、率变化(4) 聚合物表面气体分子吸、脱附引起光学特性变化(5) 伴随气体吸附脱附引起微小量变化对于电阻型气体传感器，其基本的机理都是气体分子吸附于膜表面并 扩散进体内，从而引起膜电导的增加，电导变化量反应了气体的浓度情况。实验器材电子天平BS2245:北京赛多利斯仪器系统有限公司KSV5000自组装超薄膜设备:芬兰KSV设备公司Keithley2700数据采集系统:美国Keithley公司 KW-4A 型匀胶机:Chemat Technologies Inc.85-2型恒温磁力热搅拌机:上海司乐仪器公司 优普超纯水制造系统:成都超纯科技有限公司 动态配气装置北京汇博隆仪器S-450型扫描电镜:

4、日本日立公司UV1700紫外一可见分光光度计:北京瑞利分析仪器公司BSF-GX-2型分流式标准湿度发生器:国家标准物质研究中心、北京耐 思达新技术发展公司五，实验步骤1、电阻型气体探测器工作原理认识（见三、实验原理）2、器件结构设计电阻型气体探测器基于敏感薄膜电阻变化来进行气体浓度测定，因此 电阻是探测器件的一个重要参数。叉指电极结构测量出的电导可由下式表 示：G =号夸 Fb =（号一其中L和W为叉指电极基底的长度和宽度N为叉指电极的数目对数， d为两相邻电极之间的间距，。为薄膜的本征电导率。结合基底尺寸、材料 电导率和工艺能力可以设计出结构优化的叉指结构，获得较显著的电学输 出信号。图1、

5、基于敏感膜的气体传感器结构设计意图图1为设计的电阻型气体传感器结构，在绝缘衬底上制作叉指电极， 然后在叉指电极上制作敏感薄膜，通过测试两个叉指电极间的电学信号， 可获得敏感薄膜的电阻信息。设计完成的整个气体传感器的制作流程示意 图如图2所示。图2、气体传感器制作工艺流程示意图详细流程可表述为：硅片清洗硅片表面氧化溅射生长NiCr合金一 溅射生长金一匀胶、显影、曝光、去胶一刻蚀金属层（Kl、硫酸）中测划 片一测试在器件的制作中，所使用的基片是电阻率为0.7-1Qcm的n型单 晶硅片(100取向)。其上氧化生长二氧化硅作为绝缘层，然后溅射镍铬合金 (200-300 A),以提高金电极的附着性。其后

6、再在镍铬合金上溅射导电的金 层(400500A),采用负胶光刻，电极间距和宽度相等，为50pm，整个器 件尺寸大小为8*5mm2 ,该设计由自己完成，工艺由成都亚光电子股份有限 公司加工。3、聚苯胺复合薄膜制备(1)基片预处理本实验采用表面抛光的石英玻片和平面叉指金电极作为成膜基片。将 表面抛光的石英基片先后放在:(l)表面活性剂和水的混合液;(2)去离子水;(3) 乙醇;(4)丙酮中分别超声清洗0.5h,以除去表面污垢和油溃。然后将清洗过 的石英基片放入7:3浓硫酸/过氧化氢溶液及1:1:5氨水/过氧化氢/水溶液中 各超声清洗0.5h使得表面清洁，同时通过这一步使基片表面亲水。处理后的 石英

7、基片存放在超纯水中待用。将清洗好的石英基片及平面叉指电极式器件浸入 1%PDDA水溶液 15min，取出后用去离子水洗涤,再用氮气吹干，此时基片表面呈正电性;再将 基片浸入Pss溶液(2mg/inl,盐酸调节PH=12)中15min,取出后用去离子水 洗涤并吹干，此时基片表面呈负电性。(2 )聚苯胺PANI/TiO2复合薄膜制备方法对于经过聚电解质(PSS)处理后的基片，聚电解质自组装膜在基片表面 引入了极性基团，在聚合反应的开始阶段，基片上-SO-3基团与酸性条件下 苯胺单体和聚苯胺低聚合物上的N+通过静电吸引作用形成离子对，将其吸 附在基片表面，形成均匀的聚合中心，进行链生长。同时，混合液

8、中的TiO2 纳米粒子起着原位吸附聚合载体的作用，苯胺单体吸附在TiO2纳米粒子表 面，氧化剂(NH4)2S2O8引发单体在TiO2纳米粒子表面进行聚合，这导致了 聚合物围绕TiO2粒子的受限生长，从而获得TiO2纳米粒子表面覆盖PANI 的复合薄膜。用移液管取0.2 ml TiO2溶胶，加去离子水稀释至0.lwt% ；超声15min 备用。室温下，将超声过的TiO2溶胶加入到20mL 2.0mol/L的盐酸溶液中， 在适度的搅拌下，将0.1mL苯胺单体加入其中。为了避免苯胺单体快速氧 化，边搅拌边将适量的(NH4)2S2O8的盐酸溶液缓慢逐滴滴入到混合液中， 体系的颜色由透明逐渐加深，变为浅

9、蓝，最终转变为墨绿色。适度搅拌5min 后，用0.45um的有机过滤器过滤。(NH4)2S2O8和苯胺单体物质的量之比 为1:1。运用芬兰KSV公司的自组装系统制备HCI掺杂PANI/TIO2自组装 纳米复合薄膜。将预处理后的基片浸入到PANI/TiO2滤液中，反应20min， 取出基片，在空气中自然晾干后放置在纯净的氮气中保存。(3)HCI和PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜制备方法HCI和对甲苯磺酸(PTSA)是常见的聚苯胺质子酸掺杂剂。HCl掺杂 PANI/TiO2复合薄膜制备同前所述。PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜制备工 艺如下：取1.9g对甲苯磺酸，溶于 10ml去离子水

10、中；再配置 0.1254g (NH4)2S2O8溶于10ml盐酸溶液中，待用；用移液管取0.2ml TiO2溶胶， 加去离子水稀释至0.lwt% ；将10ml对甲苯磺酸溶液与TiO2溶胶溶液混合， 超声15min备用。室温下，在超声过的对甲苯磺酸溶液和TiO2溶胶混合溶液 中，将0.1mL苯胺单体加入其中。为了避免苯胺单体快速氧化，边搅拌边将 适量的（NH4）2S2O8的水溶液缓慢逐滴滴入到混合液中，体系的颜色由透明 逐渐加深,最终转变为墨绿色。适度搅拌5min后，用0.45um的有机过滤器 过滤。（NH4）2S2O8和苯胺单体物质的量之比为1:1。运用芬兰KSV公司的 自组装系统制备PTSA

11、掺杂PANI/TiO2自组装纳米复合薄膜。将预处理后 的基片浸入到PANI/TiO2滤液中，反应20min，取出基片，在空气中自然 晾干后放置在纯净的氮气中保存。对三种复合薄膜微观形貌进行SEM测试表征如图3所示。PANI/TiO2复合薄膜HCl掺杂PANI/TiO2复合薄膜PTSA掺杂PANI/TiO2复合薄膜图3三种复合薄膜微观形貌进行SEM测试（4）聚苯胺复合薄膜气体探测器制备与测试采用自主装或者喷涂的方法将复合薄膜制备到带有叉指电极的衬底 上，并在室温下进行干燥24小时，获得气体传感器器件。图4器件测试引线示意图图5气体探测测试系统的搭建示意图因叉指电极无法直接连接到测试仪器，需要设计

12、外部电极连接，如图4 所示。在制作完成敏感薄膜，并进行干燥后，可以进行气体敏感性能的测 试，测试系统的搭建示意图如图5所示。六、实验结果（数据和图表）时间（S）0500 1000 1500 200C 2500时间（S）PANI/TiO2复合薄膜传感器响应恢复性能纯PANI薄膜传感器响应恢复性能图6 PANI/TiO2复合薄膜及纯PANI薄膜相应性能测试结果室温条件下，将制备好的PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜气体传感器 放入测试腔中，通入不同浓度的NH3气体（本实验分别通入23ppm, 47ppm, 70ppm, 94ppm, 117ppm,141ppm），测试其响应恢复特性，如图6所

13、示。 实验发现，当NH3气体通入时，PANI/TiO2复合薄膜和PANI薄膜传感器的 电阻均急剧上升，响应很快，这是由于气体在薄膜表面发生了吸附效应。 随着时间的增加，电阻增大速度降低，这是由于气体在薄膜内发生了较慢 的体扩散。随着时间的延长，薄膜的电阻趋于稳定。而刚脱离气体环境时, 电阻立即下降，恢复较快。测试同时发现，PANI/TiO2复合薄膜传感器对 NH3的响应趋近于稳定，而PANI薄膜传感器对NH3的响应一直呈现上升 趋势，很难达到稳定。图7 PANI/TiO2复合薄膜及纯PANI薄膜传感器灵敏度对比结果PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3有较好的灵敏度，灵敏度随气体浓 度的增大

14、而增大，且比PANI薄膜传感器的灵敏度要高的多。PANI/TiO2复 合薄膜传感器和PANI传感器对NH3的响应时间随着气体浓度的增大而减 小，对14lppm NH3的响应时间最小。而总体而言，PANI/TiO2复合薄膜传 感器对不同浓度NH3气体的响应及恢复均比PANI薄膜传感器要快，在高 浓度响应时间达到1s，详细结果如表格1所示。表1 PANI/TiO2复合薄膜及纯PANI薄膜传感器对不同浓度氨气的相应时间(T1)及恢复时间(T2)NH3 浓度（ppm）Ti/s界/sPANI/TiOiPANIPANI/TiO；PANI23691117472561170264894374811715481

15、411439室温条件下，将制备好的盐酸掺杂和对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜气体传感器放入测试腔中通入不同浓度的NH3气体（本实验分别通入 23ppm, 47ppm, 70ppm, 94ppm, 117ppm,141ppm），测试其响应恢复特性， 如图8所示。图8不同掺杂的PANI/TiO2复合薄膜传感器对氨气的响应-恢复特性当NH3气体通入时，盐酸掺杂和对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜 传感器的电阻均急剧上升，随着时间的增加，经过一段时间逐渐达到稳定 值。当刚脱离被测气体环境，暴露在空气中时，电阻立即下降，恢复较快。 因此盐酸掺杂和对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感

16、器对NH3均表现 出较好的响应恢复特性。盐酸掺杂和对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度 NH3的灵敏度与气体浓度之间的关系曲线见图9。从图中可以看出，盐酸掺 杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度的NH3气体的灵敏度普遍比对甲 苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器更高些。浓度(ppm)图9不同掺杂的PANI/TiO2复合薄膜传感器对氨气的灵敏度对比特性表2不同掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度氨气的相应时间(T1)及恢复时间(T2)NH3 浓度(ppm)TsL/sHCI掺杂 PANI/TiO2PTSA掺杂 PANl/TiO2HCI掺杂 PANVTiO

17、2PTSA掺杂 PANI/TiOj23641122472261270244139432419117133114112342室温下，盐酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜和对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同浓度NH3气体的响应时间(二)及恢复时间(T2)，如表 2所示。由表可知，总体而言，盐酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3 气体的响应及恢复均比对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器要快， 尤其恢复时间要快得多。七、结果分析与结论针对实验的测试结果的分析讨论在前一节实验结果中已经进行了对比 和分析，详见前一节。其中重要的结论如下：TiO2掺杂的聚苯胺薄膜相对单纯

18、的聚苯胺薄膜传感器在探测氨气时的 灵敏度有了近一倍的增加，同时响应时间和恢复时间加快，在高浓度响应 时间达到1s。盐酸掺杂和对甲苯磺酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对NH3均表现 出较好的响应恢复特性，其中盐酸掺杂PANI/TiO2复合薄膜传感器对不同 浓度的NH3气体的灵敏度更高些。八、实验心得体会和建议通过聚苯胺复合薄膜气体传感器课题的实验课程的学习，掌握了气体 传感器的工作原理、结构设计、敏感薄膜制备方法与器件性能测试方法， 形成了完整的电阻式气体传感器的认识，激发了对气体传感器的研究兴趣, 同时通过该课程锻炼了自己的针对目标的学习能力、分析能力和动手能力。实验评分：指导教师签字： 年 月曰