專利名稱：一種基于納米線陣列的氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器及其制備方法，特別是基于納米線陣列來實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)的氣體傳感器。
背景技術(shù)：
氣體傳感器是檢測(cè)氣體中的特定成分，用來對(duì)有毒、有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)易燃、易爆氣體進(jìn)行安全報(bào)警，對(duì)要了解的氣體進(jìn)行檢測(cè)、分析及研究等。目前工業(yè)化生產(chǎn)使用的氣體傳感器主要有兩種類型。一種是基于半導(dǎo)體氧化物材料的氣體傳感器；另一種是基于電化學(xué)原理的氣體傳感器。Kong等報(bào)道了用單壁碳納米管構(gòu)成的化學(xué)氣體傳感器用于在室溫條件下檢測(cè)NO2和NH3等氣體[Science 287，622(2000)]，F(xiàn)avier等人用水平排列的鈀金屬納米線陣列連接在兩個(gè)銀電極線來構(gòu)造氫氣傳感器和開關(guān)[Science 293，2227(2001)]，王中林等用熱蒸發(fā)制備的單根SnO2納米帶用于探測(cè)CO、NO2和乙醇?xì)怏w[Applied PhysicsLetters 81，1869(2002)]，Kolmakov等人用單根氧化錫納米線探測(cè)氣體[AdvancedMaterial 15，997(2003)]。半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器主要采用氧化物半導(dǎo)體薄膜作為傳感材料，它是通過薄膜表面吸附氣體與半導(dǎo)體材料之間產(chǎn)生電子交換，使得半導(dǎo)體薄膜的電導(dǎo)性質(zhì)發(fā)生改變，從而達(dá)到檢測(cè)氣體目的。
由于納米材料具有大的表面積，表面吸附的檢測(cè)氣體分子更多，因此用納米材料制備的傳感器將具有更高的靈敏度，目前已有了采用單根納米線用于氣體傳感器的報(bào)道(Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detectionof biological and chemical species，《Science》，293，1289；Fabrication and ethanolsensing characteristics of ZnO nanowire gas sensors，《Applied Physics Letters》，84，3654)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，將納米線安裝在導(dǎo)電電極兩端的主要方法是采用原子力顯微鏡操縱納米線或隨機(jī)分散納米線，這些方法的生產(chǎn)效率很低，難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的批量生產(chǎn)。針對(duì)這一情況，本發(fā)明提出一種直接連接在導(dǎo)電薄膜電極兩端的具有納米間隙的納米線陣列的氣體傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是提供一種直接連接在導(dǎo)電薄膜電極兩端的納米線陣列的氣體傳感器，該傳感器通過納米線的表面吸附氣體分子后其電導(dǎo)特性的變化來實(shí)現(xiàn)氣體的檢測(cè)識(shí)別。該納米材料氣體傳感器在制備過程中，可避免對(duì)納米線的操縱或隨機(jī)分散納米線的困難。由于該傳感器利用了納米線的大的比表面積的特性和納米陣列，它具有高的氣體檢測(cè)靈敏度。
本發(fā)明所述的納米線陣列氣體傳感器，包括絕緣基片、下電極層、傳感導(dǎo)電體、上電極層，其特征是連接在下電極層和上電極層之間的傳感導(dǎo)電體是由金屬或金屬氧化物構(gòu)成的納米線陣列，納米線的直徑為30到800納米，納米線的長度為微米數(shù)量級(jí)，納米線之間的間隙為25納米到550納米。所述的納米線材料可以是金屬或金屬氧化物，如鈀、氧化鋅、氧化銅、氧化錫和氧化鎢。
所述的絕緣基片材料可以是玻璃、石英、熱處理后的硅片、氮化硅或云母。
所述的上、下電極層材料可以是金、銀、鉑或其合金的金屬薄膜或摻錫的氧化銦薄膜。
本發(fā)明所述的一種基于納米線陣列氣體傳感器制備方法，其特征是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)1、下電極層的制備采用公知的熱蒸發(fā)、或?yàn)R射、或化學(xué)蒸發(fā)沉積鍍膜技術(shù)將下電極層的材料沉積在絕緣基片的表面，其厚度控制在50到500納米之間。
2、多孔的氧化鋁模板的制備首先利用濺射、或熱蒸發(fā)、或化學(xué)蒸發(fā)沉積等公知的鍍膜技術(shù)在下層電極上沉積一層厚度在微米數(shù)量級(jí)的金屬鋁薄膜，所用鋁的純度在99.99％以上；其次將鋁薄膜在400-550℃下進(jìn)行4.8～5.5小時(shí)熱處理；最后利用兩步陽極氧化方法制備出多孔的氧化鋁模板；第一步陽極氧化選用0.2-0.4mol/L的草酸溶液，氧化時(shí)間為2-8小時(shí)，氧化后的樣品在6wt％H3PO4與1.8wt％H2CrO4混合溶液中清洗后再放入0.2-0.4mol/L草酸溶液進(jìn)行第二步氧化，氧化時(shí)間為3-8小時(shí)。
3、納米線陣列的制備利用公知的電化學(xué)沉積方法在多孔的氧化鋁模板中生長金屬納米線陣列。當(dāng)納米線采用金屬氧化物材料時(shí)，則可以將制備的金屬納米線于空氣中在300到800℃的溫度下進(jìn)行熱處理將金屬納米線氧化為金屬氧化物納米線。
4、上電極層的制備利用公知的熱蒸發(fā)、或?yàn)R射、或化學(xué)蒸發(fā)沉積等公知的鍍膜技術(shù)在納米線陣列上沉積上電極層。上電極層的厚度一般在30到500納米。
5、腐蝕去除多孔的氧化鋁模板將含有上、下電極層、氧化鋁模板和納米線陣列的樣品放入0.2～0.8mol/LNaHO溶液中進(jìn)行2-12小時(shí)的腐蝕，去除氧化鋁模板，獲得了直接連接在上下電極層的納米線陣列。經(jīng)裝配即可成為一種基于納米線陣列的氣體傳感器另外，本發(fā)明提供的納米陣列氣體傳感器還可以配置加熱裝置，該加熱裝置設(shè)置在絕緣基片的下方。在檢測(cè)氣體時(shí)，該加熱裝置用于提高反應(yīng)溫度，加速被檢測(cè)氣體在納米線表面的吸附過程。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中采用新型的微納米加工技術(shù)，制備出直接連接在兩個(gè)導(dǎo)電薄膜電極之間的納米線陣列。與以往的納米氣體傳感器相比，本發(fā)明避免了分散納米線或操縱納米線的困難，便于工業(yè)化批量生產(chǎn)。而利用納米線的陣列作為氣體傳感材料，檢測(cè)氣體的靈敏度更高。
附圖和


圖1是本發(fā)明納米線陣列氣體傳感器的示意圖。
圖2是納米線陣列氣體傳感器制備方法流程圖。
圖1中，納米線陣列氣體傳感器，包括絕緣基片(4)；在絕緣基片上設(shè)置的下電極層(3)；連接在下電極層(3)上的傳感導(dǎo)電體(2)是納米線陣列；與納米線陣列的上端相連的上電極層(1)。其中，納米線作為氣體敏感材料，納米線的直徑為30-800納米，納米線的長度在微米數(shù)量級(jí)，納米線之間的間隙為25-550納米。
圖2中，以絕緣基片為基材，通過熱蒸發(fā)、或?yàn)R射、或化學(xué)蒸發(fā)沉積鍍膜方法，將導(dǎo)電金屬沉積在絕緣基片的表面，制備出下電極層，其厚度控制在50到500納米之間。導(dǎo)電金屬可以是金、銀、鉑或其合金。采用相同的鍍膜方法，在下電極層上先制備鋁薄膜，再通過兩步陽極氧化獲得多孔的氧化鋁模板，然后利用電化學(xué)沉積方法在多孔的氧化鋁模板中生長金屬并形成金屬納米線陣列。金屬和金屬氧化物納米線可以是鈀、氧化錫(SnO2)、氧化銅(CuO)、氧化鋅(ZnO)和氧化鎢(WO3)。
利用熱蒸發(fā)、或?yàn)R射、或化學(xué)蒸發(fā)沉積方法在生長有納米線陣列的多孔的氧化鋁模板的上面沉積上電極層，其材料可以是導(dǎo)電金屬，如金、銀、鉑或其合金；也可以是透明導(dǎo)電的薄膜，如摻錫的氧化銦；上電極層的厚度一般在幾十到幾百納米。最后將上述制備的樣品放入一定溶度的NaHO溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，將多孔的氧化鋁模板去除，從而獲得了直接連接在兩個(gè)導(dǎo)電薄膜電極的納米線陣列。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖以實(shí)施例的方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明實(shí)施例一包括絕緣基片(4)；在絕緣基片上設(shè)置的下電極層(3)；連接在下電極層(3)上的傳感導(dǎo)電體(2)納米線陣列；與納米線陣列的上端相連的上電極層(1)。其中絕緣基片為石英；下電極層材料為銀薄膜，納米線為氧化錫納米線，上電極層材料為銀薄膜。
1、下電極層的制備利用磁控濺射在石英基片上沉積銀薄膜，薄膜厚度為90～100納米，濺射目標(biāo)靶材料為銀，濺射功率為100瓦，濺射氣壓為0.9帕。
2、多孔的氧化鋁模板的制備利用磁控濺射在沉積有銀薄膜的表面沉積金屬鋁形成鋁薄膜，鋁薄膜厚度為10微米，濺射目標(biāo)靶材料為鋁(純度99.999％)，濺射功率為150瓦，濺射氣壓為0.9帕。將鋁薄膜在大氣中460℃下熱處理5.3小時(shí)。然后利用兩步陽極氧化方法制備出多孔的氧化鋁模板；第一步陽極氧化選用0.25mol/L的草酸溶液，氧化時(shí)間為2小時(shí)，第一步氧化后的樣品在6wt％H3PO4與1.8wt％H2CrO4混合溶液中清洗后再放入0.25mol/L草酸溶液進(jìn)行第二步陽極氧化，氧化時(shí)間為3小時(shí)。
3、氧化錫納米線陣列的制備利用交流電化學(xué)沉積方法在多孔的氧化鋁模板中生長錫納米線，交流電的峰值電壓為80伏，頻率為200Hz，采用的溶液是含0.05mol/L的SnCl2的二甲基亞礬，沉積溫度為室溫。將含有錫納米線的氧化鋁模板在空氣中700度下熱處理10小時(shí)，制備得氧化錫納米線陣列。
4、上電極層的制備利用磁控濺射在氧化錫納米線的上方沉積銀薄膜，銀薄膜厚度為100～110納米，濺射靶材為銀，濺射功率為100瓦，濺射氣壓為0.9帕。
5、腐蝕去除多孔的氧化鋁模板將制備的納米線陣列放入0.3mol/L的NaOH溶液中腐蝕去除多孔的氧化鋁模板，腐蝕時(shí)間為10小時(shí)，獲得直接連接在兩個(gè)銀導(dǎo)電薄膜電極之間的氧化錫納米線陣列，經(jīng)裝配即可成為一種基于氧化錫納米線陣列的氣體傳感器。
實(shí)施例二包括絕緣基片(4)；在絕緣基片上設(shè)置的下電極層(3)；連接在下電極層(3)上的傳感導(dǎo)電體(2)納米線陣列；與納米線陣列(2)的上端相連的上電極層(1)。其中絕緣基片為石英；下電極層材料為銀薄膜，納米線為氧化銅納米線，上電極層材料為摻錫氧化銦。
1、下電極層的制備利用磁控濺射在石英基片上沉積銀薄膜，薄膜厚度為100～115納米左右，濺射目標(biāo)靶材材為銀，濺射功率為100瓦，濺射氣壓為0.9帕。
2、多孔的氧化鋁模板的制備利用磁控濺射在沉積有銀薄膜的上面沉積鋁薄膜，鋁薄膜厚度為10微米，濺射目標(biāo)靶材料為鋁(純度99.999％)，濺射功率為150瓦，濺射氣壓為0.9帕。將鋁薄膜在大氣中550℃下熱處理4.8小時(shí)。然后利用兩步陽極氧化方法制備出多孔的氧化鋁模板；第一步陽極氧化選用0.2mol/L的草酸溶液，氧化時(shí)間為4小時(shí)，第一步氧化后的樣品在6wt％H3PO4與1.8wt％H2CrO4混合溶液中清洗后再放入0.2mol/L草酸溶液進(jìn)行第二步陽極氧化，氧化時(shí)間為5小時(shí)。
3、氧化銅納米線陣列的制備利用交流電化學(xué)沉積方法在多孔的氧化鋁模板中生長銅納米線，交流電的峰值電壓為80伏，頻率為200Hz，采用的溶液是含0.05mol/L的硫酸銅和0.1mol/L的硼酸，沉積溫度為室溫。將含有銅納米線的氧化鋁模板在空氣中500度下熱處理10小時(shí)，制備得氧化銅納米線陣列。
4、上電極層的制備利用磁控濺射在氧化銅納米線的上方沉積摻錫氧化銦薄膜，薄膜厚度為150納米，濺射靶材為90wt％氧化銦和10wt％氧化錫的混合陶瓷靶，濺射功率為80瓦，濺射氣壓為0.9帕。
5、腐蝕去除多孔的氧化鋁模板將制備的納米線陣列放入0.8mol/L的NaOH溶液中腐蝕去除多孔的氧化鋁模板，腐蝕時(shí)間為3小時(shí)，獲得直接連接在兩個(gè)導(dǎo)電薄膜電極之間的氧化銅納米線陣列，經(jīng)裝配即可成為一種基于氧化銅納米線陣列的氣體傳感器。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，由絕緣基片[4]、下電極層[3]、傳感導(dǎo)電體[2]、上電極層[1]組成，其特征在于上電極層[1]與下電極層[3]之間的傳感導(dǎo)電體[2]是由金屬或金屬氧化物構(gòu)成的納米線陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于構(gòu)成傳感導(dǎo)電體[2]的納米線直徑為50-800納米，長度為微米數(shù)量級(jí)，納米線之間的間隙為25納米到550納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于構(gòu)成傳感導(dǎo)電體[2]的納米線可以是鈀、氧化錫、氧化銅、氧化鋅和氧化鎢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于納米線陣列[2]與上電極層[1]和下電極層[3]直接電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列氣體傳感器，其特征在于所述的絕緣基片[4]材料可以是玻璃、熱處理后的硅片、氮化硅和云母。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于所述的上電極層[1]和下電極層[3]材料可以是金、銀、鉑或其合金的金屬薄膜或摻錫的氧化銦薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于在絕緣基片[4]的下方配置加熱裝置。
8.一種基于納米線陣列氣體傳感器的制備方法，其特征是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)下電極層的制備采用熱蒸發(fā)或?yàn)R射、或化學(xué)蒸發(fā)沉積等公知的鍍膜技術(shù)將下電極層的材料沉積在絕緣基片的表面，其厚度控制在50到500納米之間；(2)多孔的氧化鋁模板的制備首先利用濺射、或熱蒸發(fā)、或化學(xué)蒸發(fā)沉積等公知的鍍膜技術(shù)在下層電極上沉積一層厚度在微米數(shù)量級(jí)的金屬鋁薄膜，所用鋁的純度在99.99％以上；其次將鋁薄膜在400-550℃下進(jìn)行4.8～5.5小時(shí)熱處理；最后利用兩步陽極氧化方法制備出多孔的氧化鋁模板；(3)納米線陣列的制備利用公知的電化學(xué)沉積方法在多孔的氧化鋁模板中生長金屬納米線陣列；(4)上電極層的制備利用公知的熱蒸發(fā)、或?yàn)R射、或化學(xué)蒸發(fā)沉積等方法在生長有納米線陣列上沉積上電極層，上電極層的厚度一般在30到500納米；(5)腐蝕法去除多孔金屬氧化物模板將含有上、下電極層、氧化鋁模板和納米線陣列的樣品放入0.2～0.8mol/LNaHO溶液中進(jìn)行2-12小時(shí)的腐蝕，去除氧化鋁模板，獲得了直接連接在上下電極層的納米線陣列，經(jīng)裝配即可成為一種基于納米線陣列的氣體傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于納米線陣列氣體傳感器的制備方法，其特征在于所述的兩步陽極氧化方法中，第一步陽極氧化選用0.2-0.4mol/L的草酸溶液，氧化時(shí)間為2-8小時(shí)，氧化后的樣品在6wt％H3PO4與1.8wt％H2CrO4混合溶液中清洗后再放入0.2-0.4mol/L草酸溶液進(jìn)行第二步氧化，氧化時(shí)間為3-8小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于納米線陣列氣體傳感器的制備方法，其特征在于當(dāng)納米線采用金屬氧化物材料時(shí)，可以將制備的金屬納米線陣列于空氣中在300到800℃的溫度下進(jìn)行熱處理將金屬納米線氧化為金屬氧化物納米線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于納米線陣列來實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)的氣體傳感器。本發(fā)明所述的氣體傳感器，包括絕緣基片、下電極層、傳感導(dǎo)電體、上電極層，其特征是連接在下電極層和上電極層之間的傳感導(dǎo)電體是由金屬或金屬氧化物構(gòu)成的納米線陣列，納米線的直徑為30到800納米，長度為微米數(shù)量級(jí)，納米線之間的間隙為25納米到550納米。其制備方法是1.下電極層的制備；2.多孔的氧化鋁模板的制備；3.納米線陣列的制備；4.上電極層的制備；5.腐蝕去除多孔的氧化鋁模板。本發(fā)明中采用新型的微納米加工技術(shù)，利用納米線陣列作為氣體傳感器材料，檢測(cè)氣體的靈敏度高，避免了分散納米線或操縱納米線的困難，便于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/407GK1847838SQ20061007441
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者賴發(fā)春, 黃志高, 蔡聲鎮(zhèn), 陳水源, 呂晶, 張志城 申請(qǐng)人:福建師范大學(xué)