高灵敏石墨烯氨气传感器研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

氨气是一种无色有毒气体，吸入少量氨气即会造成急性呼吸系统损害。我

国曾发生过多起氨气泄漏事故，并造成人员伤亡，因此对氨气的检测极为重要。

常见的氨气检测方法有色谱仪、传感器等，相比于色谱仪，传感器具有成本低，

体积小，便携性好的优点，但往往有响应灵敏度较低、工艺重复性差、工作温

度高等缺点。鉴于此，本文开发了一种在室温下有较好灵敏度的氨气传感器，

主要开展的研究工作如下：

首先，基于各类型氨气传感器的优劣对比，选定场效应晶体管作为氨气传

感器的结构，以还原氧化石墨烯作为沟道材料，以二氧化锡作为敏感材料。此

外，本课题搭建了气体测试平台用以进行氨敏性能测试；为促使传感器在室温

下响应后能对氨气解吸附，在气体测试平台中引入加热装置，采用COMSOL软

件对加热装置进行热仿真，确定合适的加热电压。

其次，提出石墨烯氨气传感器的完整制备工艺。采用金属热蒸镀等制造工

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艺制备源漏电极，并构成阵列，总尺寸约为1.68×1.45mm。基于静电吸附原理，

以γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对硅片进行预处理，制备出氧化石墨烯薄

膜，然后用等离子体刻蚀法，去除多余的石墨烯以制备沟道，而后滴涂二氧化

锡。将滴涂后的器件退火还原以制备还原氧化石墨烯沟道，并促进二氧化锡纳

米颗粒与沟道的复合；最后通过键合将传感器与管壳连接。

第三，对器件的电学性能和氨敏性能进行检测。以探针台检测输出特性曲

线和转移特性曲线，确定器件阻值和开关比等，结果表明含二氧化锡纳米颗粒

的器件阻值稍高；以气体检测平台测试动态响应曲线、重复性及选择性，结果

表明本课题所制备的氨气传感器具有明显的p型响应，且有栅压的传感器有更

高的响应和更低的检测下限，且氨气传感器有较好的重复性和选择性。

最后，从结构和材料两方面对氨气传感器进行性能提升。结构上，基于湿

法刻蚀原理，制备微小阵列孔；采用AFM探究不同刻蚀时间对刻蚀深度的影

响，最终确定合适的刻蚀时间。而后重复电学性能和氨敏性能测试，结果表明

器件的阻值和开关比均有上升，且对氨气的响应也有一定提升。材料上，基于

银颗粒边界对氨气响应的增强原理，以银纳米颗粒改性，并以SEM和能谱进行

表征，结果表明其在器件上可以均匀分布。再次重复电学性能和氨敏性能测试，

结果表明器件的阻值有所下降，开关比无明显变化，且对氨气的响应继续提升。

关键词：氨气；传感器；石墨烯；二氧化锡；FET

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ABSTRACT

Ammoniaisacolorlesstoxicgas,andinhalingasmallamountofammoniacan

causeacuterespiratorydamage.Therehavebeenmultipleammonialeakage

accidentsinChina,whichhavecausedcasualties.Therefore,thedetectionof

ammoniagasisextremelyimportant.Commonammoniadetectionmethodsinclude

chromatographs,sensors,etc.Comparedtochromatographs,sensorshavethe

advantagesoflowcost,smallsize,andgoodportability.However,theyoftenhave

thedisadvantagesoflowresponsesensitivity,poorprocessrepeatability,andhigh

workingtemperature.I