用QCM研究HMDS处理纳米ZnO的湿度测试对比

?　　0　引言

　　相对湿度是指待测空气的水汽压与相同温度下的饱和水汽压的比值,准确可靠地测量和记录空气相对湿度的变化过程,有着重要的意义。QCM气体传感器是基于吸附-解吸附的原理来工作的,一般不具有选择性。因此,QCM气体传感器的选择性是一个重要的问题。选择性的问题,同样也是其他类型的气体传感器所面临的共同问题。在应用纳米敏感材料以后,这个问题越发突出。因为纳米材料具有巨大的比表面积和高表面能,具有强烈的吸附作用,而且一旦吸附,很难解吸附,这些都是纳米材料在传感器中获得应用所需要解决的问题[1-9]。文中研究电极上涂有纳米氧化锌膜的QCM传感器,在经过HDMS处理前后的敏感特性的变化。传感器测试系统由课题组自行设计, ZnO上吸附HMDS经傅里叶变换(FT- IR)特性测试,表明HMDS吸附到ZnO表面[10]。

　　1　HMDS吸附在氧化锌上的频率变化

　　QCM测量过程中的频率变化同样证实了HMDS在氧化锌上的吸附行为。样品处理过程中的频率变化见表1。可以发现,经过HDMS处理后,器件的频率下降,变化的范围在几十Hz以内。

　　2　涂覆纳米氧化锌薄膜的湿度响应

　　取涂覆纳米氧化锌薄膜的样品进行湿度检测,将4个样品编号为1#~4#。4个样品上所担载氧化锌的量见表2。首先测试的是未经HMDS处理的涂敷氧化锌的QCM的湿度敏感特性。测试过程中,频率的数值被动态记录下来,图1(a)~图1

　　2·1　重复性

　　图1(a)~图1(d)为样品1#~4#分别从低湿度逐步到高湿度变化过程中,QCM传感器的频率变化同时间的相互关系。从图1中可以看出,传感器的重复性很好,低湿度时响应快,高湿度时,开始吸附很快,接近饱和时吸附变慢, 4种样品变化趋势一0致。

　　2·2　灵敏度

　　图2显示了传感器1#~4#的频率变化值与相对湿度关系。可见相对湿度关系具有一定的非线性,在同样湿度条件下,随着涂覆ZnO厚度的增加,频率变化值随之增加,传感器相对于相对湿度的响应灵敏度上升。这个结果说明纳米氧化锌材料具有很好的湿度响应性能,适合作为湿度传感器的敏感材料。

　　由表2的结果可知,QCM上纳米氧化锌的量满足1#<2#<3#<4#,因此从总的频率响应来看,频率响应也满足相似的规律,就是随着氧化锌量的增加,器件的响应的灵敏度也增加。从图2中也可以看出,在低湿度下,器件具有良好的线性度,随着湿度的增加,非线性效应开始出现,并且随ZnO膜厚的增大变得越来越大。

　　2·3　HMDS改性的氧化锌QCM传感器的湿度敏感特性

　　图3(a)~图3(d)为样品1#~4#在不同湿度下,经HMDS表面改性前后的纳米氧化锌的湿度随时间的变化关系。图3中的湿度,取值同图1。