基于法布里-珀罗干涉效应的多孔硅乙醇传感器

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乙醇属易燃、易爆、易挥发的气体,在工业生产和道路交通检测中检测其浓度有着重要的意义。目前常用的燃料电池型和半导体型乙醇传感器价格高或选择性差、需要加热装置。因此,研究开发价格低廉、灵敏度高、选择性好的低浓度乙醇传感器具有非常重要的应用价值。多孔硅是一种以硅原子簇为骨架的海绵状新型功能材料,具有与现有硅芯片集成容易、成本低、可作为全固态新型传感基底材料等特点,被国内外科学家广泛研究。多孔硅气体传感器的主要优点是在室温下不用加热就具有很高的灵敏度、选择性好、测量精度高、价格低等。基于实验室前期工作,论文以p型单晶硅片作为原料,采用脉冲电化学阳极氧化法在单晶硅表面制备多孔硅薄膜,并对其进行钝化处理,形成具有一定抗氧化能力同时具备乙醇蒸汽传感性能的多孔硅材料。具体内容包括:(1)综述多孔硅功能材料的研究现状、多孔硅功能材料制备方法、稳定化处理、理化性质、应用领域的研究现状和发展方向以及目前用于乙醇气体检测的各种检测手段;(2)采用脉冲电化学阳极氧化法制备多孔硅,研究不同脉冲电化学氧化条件对多孔硅法布里-珀罗干涉特性的影响。结果表明:当占空比5:10,电流密度78 mA·cm-2、有效阳极氧化时间5min、氢氟酸与乙醇体积比2:1时,制备的多孔硅具有良好的法布里-珀罗干涉效应,多孔硅膜层稳定;(3)表征多孔硅的结构和理化性质,包括多孔硅孔隙率、膜厚及表面和剖面形貌等。分析表明,增加阳极氧化电流密度,多孔硅的孔隙率随之增大;而延长阳极氧化时间,孔隙率呈先增加后减小的趋势,有效氧化时间为5min时孔隙率最大达到56.8%;增加HF浓度,孔隙率反而减小;多孔硅的膜层厚度与电流密度、氧化时间、HF浓度呈正相关关系;(4)开展基于F-P干涉效应多孔硅乙醇气体传感器的定性、定量研究,分析乙醇蒸汽的传感机理,获取乙醇气体传感的响应时间和可逆性。结果表明,多孔硅对乙醇气体表现出良好的毛细冷凝特性和可逆性;通入一定浓度(500ppm)的乙醇蒸汽后,多孔硅反射干涉峰发生红移(~25nm),相应的光学厚度增大(~430nm);多孔硅对乙醇蒸汽非常灵敏,光学厚度变化量与乙醇蒸汽浓度之间呈正相关;对低浓度乙醇气体的响应时间小于1min;选择性和可逆性较好。
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