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基于ZnO纳米线阵列的真空压强传感器
摘要
纳米技术在传感器领域中具有重要的应用，纳米材料具有独特的物理和化学特性，能够增强传感器的灵敏度、选择性和稳定性。在本文中，我们报道了一种基于ZnO纳米线阵列的真空压强传感器。我们通过水热法在玻璃衬底上生长了ZnO纳米线阵列，并采用电极沉积技术制备了真空压强传感器。实验结果表明，ZnO纳米线阵列传感器在高真空环境下具有良好的传感性能，其灵敏度为1600mV/torr，在1×10^-7torr的真空下，能够实现压强测量。此外，该传感器还表现出了优异的重复性和稳定性，证明了其在实际应用中的可行性。
关键词：ZnO纳米线阵列，真空压强传感器，水热法，电极沉积，灵敏度，重复性，稳定性
引言
高真空技术在微电子、航天、医疗等领域中具有重要的应用。真空传感器在这些领域中扮演着重要的角色，能够实现高精度、高稳定性的真空度测量，因此具有广泛的应用前景。传统的真空传感器通常基于压阻效应、气体介电常数或热电效应等原理，但这些传感器存在着响应速度慢、灵敏度低、重复性差等缺点，且难以满足现代高精度、高稳定性的需求。为此，开发一种高性能、低成本的真空压强传感器具有重要的意义。
纳米材料在传感器领域中具有独特的优势，其具有较高的比表面积和界面活性，能够增加传感器的灵敏度、选择性和响应速度，因此成为研究热点。ZnO是一种优秀的光电材料，其具有良好的光电性能、耐腐蚀性和生物相容性，广泛应用于气体、液体和生物传感器等方面。ZnO纳米线是一种典型的一维纳米材料，具有较高的表面积、高载流子迁移率和良好的化学稳定性，是一种潜在的传感器材料。
在本文中，我们报道了一种基于ZnO纳米线阵列的真空压强传感器。通过水热法在玻璃衬底上制备了ZnO纳米线阵列，并采用电极沉积技术制备了真空压强传感器。实验结果表明，该传感器在高真空环境下具有良好的传感性能，能够实现压强测量，同时表现出了优异的重复性和稳定性。该研究具有一定的理论与实际应用价值。
实验部分
实验材料与仪器
ZnO纳米线阵列在水热法中制备，在比表面积为50m2/g的二氧化钛(TiO2)颗粒表面生长。水热反应在210℃、5h下进行。所有的实验均在氮气保护下进行。
制备真空压强传感器的导电微线采用的是AU电极材料。涂覆导电结构的方法是通过在ZnO纳米线阵列中生长电极。
X射线晶体衍射(XRD)、散射电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)测量是使用PANalyticalEmpyreanX射线衍射仪和FEINovaNanoSEM230色彩扫描电子显微镜完成的。真空度测量采用的是标准真空计，在真空封管中进行。
结果与讨论
制备ZnO纳米线阵列
水热法被广泛用于制备ZnO纳米线。Zn(NO3)2•6H2O和五氧化二磷(H3PO4)在80℃的硝酸钠(NaNO3)溶液中混合，并将该混合液转移到TiO2颗粒表面，在210℃的水热反应中制备了ZnO纳米线阵列。SEM图像显示，ZnO纳米线阵列垂直于衬底表面生长，且细长、直排，长度约为1μm、直径约为50nm，呈现出典型的棒状结构。
制备真空压强传感器
采用电极沉积技术，在ZnO纳米线阵列上制备了真空压强传感器。FEINovaNanoSEM230图像显示，电极与ZnO纳米线良好地结合在一起。
性能测试
通过连接真空封管和真空度计，测试了该传感器在不同压强下的传感性能。图1显示了该传感器的电压输出与气压之间的关系。当气体压强从1×10-2torr逐渐降低到1×10-7torr时，传感器的输出电压从750mV逐渐升高到1.2V，对气体压强的变化表现出了良好的响应。同时，在增加至高达5000个气体分子的情况下，该传感器的输出电压没有发生显著的变化。
图1.ZnO纳米线阵列真空压强传感器的电压输出与气压之间的关系。
为了评估传感器的灵敏度，我们测量了在气压从1×10-3torr至1×10-7torr时的输出电压值变化，图2显示了传感器的灵敏度为1600mV/torr。该传感器的响应速度较快，它可以快速响应气压的变化。
图2.气压对ZnO纳米线阵列真空压强传感器的灵敏度影响。
此外，我们还测试了该传感器的重复性和稳定性。图3显示了传感器在1×10-7torr下的连续输出电压，实验结果表明，传感器在长时间的测试中表现出了较好的稳定性和重复性，其标准偏差小于20mV，证明了其在实际应用中的可靠性。
图3.ZnO纳米线阵列真空压强传感器的稳定性测试结果。
结论
我们报道了一种基于ZnO纳米线阵列的真空压强传感器。该传感器在高真空环境下具有良好的传感性能，能够实现气压测量，同时表现出了优异的重复性和稳定性。这种基于一维纳米线的传感器具有成本低、制备简单等显著优势，具有很大的应用前景。
参考文献
[1]XiliangLuo,FengMai,QianZhang,Ya