1、新疆大学学士学位论文（设计）新疆大学毕业论文 (设计 )题 目： ZnFe2O4掺杂 SnO2复合薄膜光波导元件及其气敏性研究指导老师: 学生姓名： 所属院系： 化学与化工学院 专 业： 应用化学 班 级： 完成日期： 新疆大学学士学位论文（设计）摘要本文利用溶胶-凝胶法合成出ZnFe 2O4掺杂SnO 2的溶胶，并作为敏感试剂，制备了ZnFe 2O4-SnO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件，对挥发性有机气体进行检测。结果表明，ZnFe 2O4-SnO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件对二甲苯气体有较好的选择性响应，能够检测体积比为110 -4二甲苯蒸汽。本传感器具有灵敏度高、重现性好、结构简单和易
2、制作等特点。关键词：光波导气敏元件；二氧化锡掺杂铁酸锌复合薄膜；气敏性；新疆大学学士学位论文（设计）目 录摘要 .3目 录 .41.引言 .11.1 研究目的与意义 .11.1.1 研究意义 .11.1.2 研究目的 .21.1.3 铁酸锌的目前应用 .21.2 传感器的介绍 .21.2.1 传感器的定义 .21.2.2 传感器的分类 .31.2.3 传感器的特点 .31.2.4 化学传感器的介绍 .31.2.5 气体传感器及其分类 .313 光波导气体传感器 .31.3.1 光波导的结构 .41.3.2 光波导的分类 .51.3.3 光波导传感器的工作原理 .52 实验部分 .72.1 实验
3、药品和仪器 .72.1.1 主要药品 .72.1.2 实验仪器 .82.2 溶胶-凝胶法的简介 .82.3 ZNFE2O4-SNO4的合成 10.92.4 敏感层的制备 .92.5 导波光的观察 .102.6 制备挥发性有机气体 .103 实验结果与讨论 .113.1 制备薄膜时的匀胶机转速的选择 .113.2 ZN掺杂 LIFEPO4 薄膜敏感元件对不同温度下敏感膜的透光率 .113.3 敏感元件对不同气体的选择性 .123.4 ZN掺杂 LIFEPO4 薄膜敏感元件对不同浓度的二甲苯蒸汽的响应 .14结论 .15参考文献 .16附 录 .17新疆大学学士学位论文（设计）致 谢 .18新疆大
4、学学士学位论文（设计）11.引言1.1 研究目的与意义1.1.1 研究意义环境污染目前是在全球范围内广受关注的问题，同时挥发性有机物广泛应用于染料、药物、塑料、橡胶、室内装修等行业，与人们的日常工作、生活有着密切的关系。 1由于它们的毒性较强，即使在很低浓度下也会对人体产生危害。挥发性有机化合物（VOC）多指沸点在 50-250 的化合物，按其化学机构的不同，要以进一步分为八类：烷类，芳烃类，烯类，卤烃类，醛类，酮类和其他类。非工业性的室内环境中，可以见到 50-300 种挥发性有机化合物。它们都以微量和衡量水平出现。VOC 能引起机体免疫水平失调，影响中神经系统功能，出现头晕，头疼，瞌睡，无
5、力，胸闷等自觉症状；还可能影响消化系统，出现食欲不振，恶心等，严重时可损伤肝脏和造血系统，出现神经毒性作用。随着工业的发展,工业生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体种类和数量越来越多，近年来对挥发性有机物(VOC)尤其是芳香族化合物的监测越来越受到人们的关注。随着人们生活水平的提高，对挥发性有机化合物(VOC)的检测日益受到人们的关注。许多室内装饰装修材料、建筑材料、家具中均含有苯系物和甲醛等有毒物质，它们有挥发浓度低、毒性大等特点。这些有害物质在室内释放造成空气污染，室内人群过多暴露于这类污染空气中身体健康会受到严重损害，尤其对孕妇和儿童危害更大。这些有害气体的排放越来越多且严重危害
6、着人们的正常工作和生存发展，破坏了正常的生态平衡。这些问题让人们提高警惕更加关注和进一步观察污染来源和污染原因、采取有效的方法来及时减轻和控制，现场对污染源进行检测。近年来，维减轻环境污染，人们对如何减少燃烧过程中所释放的有害气体越来越关注。 2随着环保意识深入人心，各国都投巨资进行气体传感器的研究。随着研究的深入，新理论，新方法不断涌现使传感器的研究得到了空间的发展。传感器技术是信息科学的三大技术之一，是信息获取的主要手段，它是综合了物理学，化学，生物工程，微电子学，材料科学，精密机械，微细加工和新疆大学学士学位论文（设计）2实验测量等方面的知识和技术而形成的一门科学。1.1.2 研究目的1
7、采用溶胶-凝胶法在（400,450,500）下，制备研制 ZnFe2O4掺杂SnO2复合 薄膜。2.研制 ZnFe2O4掺杂 SnO2薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感器。3.对挥发性有机气体进行检测，并通过实验结果进行分析。1.1.3 铁酸锌的目前应用 它的应用范围很大，大型电动车辆，轻型电动车，电动工具，太阳能及风力发电的储能设备，警示灯及应急灯，小型医疗仪器设备及携带式仪器等。特别是随着我国经济的快速增长及人们消耗水平与消耗观念的改变，其巨大的消耗市场正在逐渐形成，人们迫切需求高能，廉价，环保，安全，乃能的化学电源材料，以满足市场的不断需求。而目前我国在锂离子电池用磷酸亚铁锂材料的研究开发领域均
8、属于起步阶段，规模化的工业生产线尚不成熟，可见其市场前景很好。1.2 传感器的介绍传感器具有灵敏度高，响应快，易微型化，可连续性在线监测，抗电磁干扰，电绝缘性好，成本低等诸多特点，在环境监测，工业过程控制，生化检测和国土安全等领域有着广泛应用前景。1.2.1 传感器的定义国家标准 GB 7665-87 对传感器下的定义是: “ 能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成” 。其中,敏感元件( Sensing Element ) 是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分; 转换元件( Transduction Element) 是
9、指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。 3被测物 转换元件 输出信号 信号记录敏感元件新疆大学学士学位论文（设计）3图 1 传感器的流程图1.2.2 传感器的分类 根据传感器测量的分类，传感器按其基本效应可分为物理传感器和化学传感器两大类 4。物理传感器传感器 气体传感器化学传感器 离子传感器湿度传感器图 2 传感器的分类结构图1.2.3 传感器的特点传感器具有携带方便，响应快，灵敏度高，易微型化，能用于现场分析和监控，结构简单，在常温下操作等特点。1.2.4 化学传感器的介绍对 各 种 化 学 物 质 敏 感 并 将 其 浓 度 转 换 为 电 信
10、号 进 行 检 测 的 仪 器 。 对 比 于人 的 感 觉 器 官 ， 化 学 传 感 器 大 体 对 应 于 人 的 嗅 觉 和 味 觉 器 官 。 但 并 不 是 单 纯的 人 器 官 的 模 拟 ， 还 能 感 受 人 的 器 官 不 能 感 受 的 某 些 物 质 ， 如 H2、 CO。1.2.5 气体传感器及其分类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。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器通常以气敏特性来分类，主要分为：半导体型气体传感器，电化学型气体传感器，固体电解质气体传感器，接触燃烧式气
11、体传感器，光化学型气体传感器高分子气体传感器等。 5新疆大学学士学位论文（设计）413 光波导气体传感器光波导气体传感器主要是由在表面均匀覆盖一层固态燃料膜的毛细波导管构成。 6光波导气体传感器都是基于倏逝逝波原理,原因是倏逝波为介质光波导的固有特征，它对光波导材料本身没有任何特殊性质的要求，也不会产生任何负面效应，同时还具有无源、灵敏度高体积小、抗电磁干扰、便于集成，简单易实现等优点。1.3.1 光波导的结构光波导是由基板(下包层)，导波层和包层所组成，三层中导波层的折射率是最大在导波层中光传播必 nfnsn c条件。光波导应用到化学传感器时，在导波层与包层的接面上固定一种特殊的敏感层。敏感
12、层是把化学变化改成光学信号的部分。敏感层是选择性地与被测物质相互作用而变色或折射率，厚度等发生变化。光波导是由基板(下包层)，导波层和包层所组成。三层中导波层的折射率是最大 7 （如图 3 所示） 。在导波层中光的传播必有 nfnsnc 条件。光在导波层内发生全反射，形成导模时，光波不是绝对地在界面上被全部反射回导波层，而是透入包层和基板很薄的一层表面(约一个波长)，并沿界面传播一段距离(Goos-Hnchen 位移，波长量级)，最后返回导波层。透入包层和基板的这个波，称为倏逝波（消逝波，稳失波） 。光以倐逝波的形式进入到敏感层内（如图 4 所示） 。上 包 层 nc导 波 层f下 包 层 n
13、snc s fT上 包 层导 波 层 下 包 层图 3 光波导的组成 图 4 光波导中光的传播 新疆大学学士学位论文（设计）51.3.2 光波导的分类根据光波导传感器的倏逝波（消失波）场强增强的机制不同，目前的光波导化学传感器主要分为表面等离子体共振型光波导传感器，平面薄膜光波导传感器，光栅光波导传感器等三大类。 8表面等离子体共振型光波导传感器光波导 平面薄膜光波导传感器光栅光波导传感器图 5 光波导的分类结构图1.3.3 光波导传感器的工作原理将光源激发出来的激光利用棱镜耦合法输入导波层内。光在导波层内传播过程中以倏逝波方式进入敏感层，然后传播到另一个棱镜时输出。由棱镜输出的光信号被光电倍
14、增管检测并转换成电信号，最后用计算机记录输出光强度随时间的变化。 一定流量的氮气（载气）不停流动此时计算机显出的输出光强度不发生变化。用注射器注入一定浓度的被测气体以后，氮气载流该气体进入流动池内，敏感试剂与被测气体相互接触以后敏感薄膜的光学特性的变化会引致输出光强度的变化。在光波导传感器中被测气体与敏感层作用后，改变了敏感膜的光吸收系数a或折射率 n，即吸收系数和折射率都是被测气体浓度的函数，用 (c)和 n(c)表示。光波导传感器中透射光强（信号）I 为 I= I0(1- Nd e)上式中，I 0为入射光强度；N 是光波在长度为 L 的波导上从每个表面反射的次数（N=L2dtg ，d 是波
15、导的厚度） ；d e是光线在敏感膜内的实际路径长度（d e=2dfcos ，d f是膜的实际厚度） 。所以，光波导元件对导波层薄膜表面的折射率(n)、透光率()及厚度(d f)新疆大学学士学位论文（设计）6等的变化非常敏感。为了使待测气体与敏感层充分接触，采用体积为 2cm1cm1cm 的流动池，在本实验中干燥空气流入到流动池的速度控制在 40cm3/min。利用棱镜耦合法激励导波光，为了能使棱镜紧贴于玻璃光波导，在交界面滴入折射率为 1.74 的二碘甲烷液体(棱镜的折射率为 1.78)。将波长为 630-680nm 的半导体激光通过第一个玻璃棱镜输入到玻璃光波导，从第二个棱镜输出导波光，通过光电倍增管检测输出光强度并用电脑（记录仪）记录光强度随时间的变化数据。整个步聚在室温下进行。当一定浓度的蒸汽流进时，输出光的强度发生变化，通过检测此变化可以得到气体的浓度有关的信息。图 6 光波导传感元件检测系统图
