随着人类社会不断发展,各种气态污染物充斥在地球大气中,对环境和人类健康造成严重损害,气体传感器应运而生,并逐渐深入生产生活的方方面面,包括国防军事、航空航天、工业制造、健康医疗、交通运输等领域。在诸多气体传感器中,电离式气体传感器凭借灵敏度高、稳定性好、响应快、恢复时间短的特性受到了广泛关注。该传感器通过电离目标气体获得独特的电流-电压特性作为气体组分的“指纹”。物联网时代背景下,气体传感器逐渐朝便携化、低功耗的方向发展,电离式气体传感器高工作电压的缺点阻碍了其实际应用。因此,本文以基于CuO纳米线的电离式气体传感器为研究对象,以降低器件的工作电压为目标,采用优化阴极材料系统的技术路线,主要研究内容如下:1)基于晶态-非晶态相变CuO纳米线的电离式气体传感器研究。由于CuO纳米线电极晶态-非晶态相变,电离式气体传感器的工作电压由百伏水平降低到约20 V。根据理论计算和实验分析证实纳米尖端相变源于首次气体放电过程中的离子轰击和热效应,生成了大量纳米微晶和表面态,增强了气体电离过程。该传感器能够检测在氮气和空气中微量挥发性有机化合物气体的种类,并且可以分辨浓度下限为5 ppm的异丙醇气体。最后,基于与电离能相关的电子-气体碰撞引起的电荷再分布模型,提出了该器件的离化气体传感机制。2)基于铝薄膜修饰CuO纳米线的电离式气体传感器研究。以覆盖有铝薄膜层的CuO纳米线为电离式气体传感器阴极模块,通过自然氧化的方式使铝薄膜表层钝化,形成CuO/Al/Al2O3异质层阴极材料系统。该传感器能够在超低电压下电离ppm级的挥发性有机化合物气体以及检测5 ppm的异丙醇气体,并表现出高稳定性和重复性。实验和理论分析表明气体传感机制基于电离特定组分气体对应的阈值电压变化。最后,通过气敏实验和微结构表征的比较分析,提出通过表层非晶态Al2O3较低的功函数和丰富的表面态、中间铝层改善内部电子传输过程、基层CuO纳米线的高长径比,三者的有机结合共同增强了气体电离效率。3)基于氧化钛薄膜修饰CuO纳米线的电离式气体传感器研究。通过原子层沉积技术直接在CuO纳米线表面修饰氧化钛纳米薄膜,形成CuO/TiO2双层阴极材料系统并组装为电离式气体传感器。该器件有较低的工作电压,可同时实现湿度和有机气体的检测,对相对湿度的检测范围为10 RH%-80 RH%,对挥发性有机化合物有稳定的气敏特性,可检测浓度下限为5 ppm的异丙醇气体。最后,从能带的角度进行分析,推导出非晶态TiO2较低的功函数和丰富的表面态可能是器件工作电压降低的主要原因。