專利名稱：具有丙酮選擇特性的氧化鋅厚膜氣敏傳感器制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器件領(lǐng)域，尤其涉及一種對丙酮蒸汽具有選擇特性的氧化鋅厚膜傳感器的制備方法。
背景技術(shù)：
傳感器技術(shù)是一項迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，它與計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)共同構(gòu)成了信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。氣敏傳感器作為傳感器的重要分支，也在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。自八十年代以來，許多國家把氣敏傳感器作為重點開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。氣敏元件是氣體傳感器的核心組成部分，多用于易燃易爆、有毒有害氣體的檢測。如今越來越多的氣體傳感器走入了環(huán)境監(jiān)測、石油化工、冶金、汽車、制藥、食品、醫(yī)療、道路交通、市政燃?xì)?、?shù)字礦山等行業(yè)；在家庭主要用于檢測煤氣、天然氣泄露，裝修、家具的甲醛是否超標(biāo)等。目前，國內(nèi)的氣敏傳感器大多數(shù)都是廣譜的，其選擇性較差，靈敏度較低，響 應(yīng)-恢復(fù)時間較長，尤其缺乏對丙酮蒸汽具有高選擇性、高靈敏度的傳感器。除此之外，目前的傳感器采用的制備方式多為濺射法，設(shè)備復(fù)雜，制備成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種對丙酮蒸汽具有選擇特性的氧化鋅厚膜傳感器的制備方法。本發(fā)明具有丙酮選擇特性的氧化鋅厚膜氣敏傳感器制備方法，按照下述步驟進(jìn)行a.制備Zn(OH)2膠體分別稱取無水乙醇與去離子水混合，無水乙醇與去離子水體積比為1 0. 5-1:2攪拌至均勻；用托盤天平分別稱取Zn (CH 3C00) 2 · 2H20和NaOH, Zn(CH 3C00) 2 ·2Η20和NaOH的摩爾質(zhì)量比為I : 1_1:3并分別用上述制備好的溶劑20ml分別溶解；用攪拌機(jī)攪拌Zn (CH 3C00) 2 ·2Η20溶液，轉(zhuǎn)速約80r/min_100r/min，將NaOH溶液以O(shè). 05ml/min-0. 12ml/min 的滴速滴入 Zn (CH 3C00) 2 · 2H 20 溶液；PH=6. 5-7. 4 后繼續(xù)攪拌l_3h，關(guān)閉攪拌器，靜置膠體24小時后烘干并研磨成Zn(OH)2膠體粉末；b.將得到的Zn(OH)2膠體進(jìn)行陳化、凝縮、烘烤得到Zn(OH)2凝膠；c.將凝膠塊充分細(xì)磨加熱后用去離子水或乙醇對凝膠進(jìn)行清洗、干燥再細(xì)磨為粉末，并將氧化鈰按照重量百分比6 ω t%-8 ω t%混合到凝膠粉末中，將混合粉末放入馬弗爐中，退火溫度500 0C -900 0C，恒溫2. 5-3h ；d.將上述混合退火后的混合粉末與甲基纖維素按重量比1:3-1:5的比例混合，然后涂在陶瓷管上進(jìn)行退火燒結(jié)，即成具有丙酮選擇特性的氧化鋅厚膜氣敏傳感器使用本發(fā)明測試其氣敏特性，采用內(nèi)置有電爐絲的陶瓷管。電爐絲連接加熱回路，用來提高傳感器的工作溫度，陶瓷管兩端的鉬金電極連接加壓電路，用來檢測陶瓷管阻值的變化。利用CeO 2_ZnO厚膜表面隨吸附丙酮蒸汽時，阻值會隨其濃度變化而變化的原理，檢測出環(huán)境當(dāng)中的丙酮的含量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(I)抗干擾能力強(qiáng)。目前市場上氣敏傳感器的敏感氣體大多數(shù)以丙酮蒸汽為基礎(chǔ)，其余有機(jī)氣體會在一定程度上產(chǎn)生干擾。比如，威海警牛報警設(shè)備有限公司研制出的丙酮泄露檢測儀同時也可檢測 H 2S，CO, O2, SO2, CL2, HCN, NO2, NH3, PH3, ETO, CLO 2，O3, NO，選擇性較差。采用本發(fā)明制備出來的CeO2-ZnO針對丙酮蒸汽的選擇性單一，基本上不受其他有機(jī)氣體的干擾。(2)制備方式簡單，成本低。本發(fā)明采用溶膠凝膠法制備厚膜，室溫即可滿足制備條件。選擇本發(fā)明的工藝參數(shù)，可使氣敏元件對丙酮具有很高的選擇性、靈敏度和穩(wěn)定性。(3)新型的涂抹方法。傳統(tǒng)的厚膜通常是形成膠體后涂抹在陶瓷管上再進(jìn)行退火，本發(fā)明采用的方式是先將膠體摻雜、退火、清洗，再與甲基纖維素混合涂抹在陶瓷管上，從而提高氣敏傳感器的性能。傳統(tǒng)工藝甲基纖維素和粉體混合，涂抹在陶瓷管上700°C退火3小時； 新工藝粉體700°C退火3小時，和甲基纖維素研磨混合后涂抹在陶瓷管上；下表是采用傳統(tǒng)工藝、新工藝涂抹的陶瓷管分別測試同等濃度的各氣體的靈敏度
Γ 1 Γ~ψΜ r^SΓ κ
傳統(tǒng) 6. 789O. 764 26.218 1.895 1.006
新工藝 2602. 18 8.956 41.801 1.551 1.014通過對比可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明采用的新的涂抹工藝極大地提高了對氣體的靈敏度。本發(fā)明主要用途檢測丙酮蒸汽及其濃度。


圖I所示為元件的結(jié)構(gòu)；圖2所示為測試電路；圖3所示為氣敏元件測試典型結(jié)果圖；圖4是未經(jīng)處理純ZnO粉末的紅外譜圖；圖5是先退火后清洗處理純ZnO粉末的紅外譜圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。實施例I :I.制備膠體制備Zn (OH) 2膠體反應(yīng)原理為Zn2MOr1 — Zn (OH) 2Zn (CH3COO) 2 · 2Η20 — Zn (C 2Η 30 2Γ — Zn (OH) 2 — ZnO①用去離子水反復(fù)清洗燒杯、玻璃棒，并在烤箱內(nèi)烘干；②配置制備膠體的溶劑分別稱取無水乙醇30ml與去離子水30ml混合，攪拌至均勻；③用托盤天平分別稱取3. 512g的Zn (CH 3C00) 2 · 2H 20和I. 28g的NaOH,并分別用上述制備好的溶劑20ml分別溶解；其中，由于Zn (CH 3C00) 2 · 2H20不易溶于水，需將其放入烤箱100°C烘烤lOmin，并攪拌成溶液；④用攪拌機(jī)攪拌Zn (CH3COO) 2 · 2H 20溶液，轉(zhuǎn)速約100r/min，將NaOH溶液以
O.lml/min 的滴速滴入 Zn (CH3COO) 2 · 2H20 溶液；⑤形成膠體PH=7后繼續(xù)攪拌lh，關(guān)閉攪拌器，靜置膠體24小時后烘干并研磨成粉末A，圖4為粉末A的紅外譜圖。2.清洗膠體①反復(fù)用去離子水清洗燒杯、玻璃棒，并在烤箱內(nèi)烘干； ②將粉末A用馬弗爐300°C退火，并倒入去離子水中充分?jǐn)嚢?，使粉末中的雜質(zhì)完全溶解。用濾紙篩留較為純凈的粉末A的剩余物；③反復(fù)清洗3次，用烤箱烘干，研磨成粉末B，圖5為粉末B的紅外譜圖；從圖4與圖5的對比表明經(jīng)過本發(fā)明的工藝，即先300°C退火處理后清洗所得的粉體純度高，基本上在700以上的峰值明顯減弱，也就是說雜質(zhì)的干擾明顯降低，ZnO的純度提聞。3.摻雜①粉末B和CeO2粉末混合將CeO2 (氧化鈰)按照重量百分比7 ω t%混合到粉末B中，并在研缽中將混合物充分研磨；②將混合研磨后的粉末放入馬弗爐中，退火溫度700°C，恒溫3h，冷卻IOh后取出即為所需樣品；③用甲基纖維素與樣品按1:5的比例混合，逐滴滴入去離子水并攪拌，使其成為具有粘性的膠體將樣品涂在陶瓷管上，并焊接到專用的基座上，如圖I所示，陶瓷管中放置加熱用鎳鉻絲，用以加熱陶瓷管，將鎳鉻絲和ZnO膜上的鉬金絲引出電極分別與加熱電路和測試電路相連接，圖中陶瓷管I ;繞在管兩端的鉬金絲2 ;涂膜法制成的ZnO厚膜3 ;安置在陶瓷管內(nèi)的鎳鉻加熱絲4 ；④用HW — 30A型氣敏測試儀測定其氣敏特性，加熱電壓選為6V。I使用圖2所示電路測試(Rz為敏感元件電阻，R為負(fù)載電阻，R依據(jù)Rz大小進(jìn)行選擇，Vc為測試回路供給電壓；Vout為輸出的測試電壓，Vh為加熱回路的供給電壓，依據(jù)需要的加熱溫度進(jìn)行選擇)，結(jié)果為圖3所示對同等濃度的丙酮，乙醇，甲醇，甲苯，甲醛氨氣的靈敏度分別為S =9634. 23，554，1388，26，57，6。測量丙酮時，本發(fā)明的氣敏元件的響應(yīng)時間為4秒，恢復(fù)時間為2秒。這表明本發(fā)明的氣敏元件對丙酮具有很強(qiáng)的選擇性，能夠排除測量氣氛中其他常見有機(jī)蒸汽的干擾。實施例2 I.制備膠體I)用去離子水反復(fù)清洗燒杯、玻璃棒，并在烤箱內(nèi)烘干；2)配置制備膠體的溶劑分別稱取無水乙醇30ml與去離子水60ml混合，攪拌至均勻；3)用托盤天平分別稱取3. 512g的Zn (CH 3C00) 2 · 2H20和2. 46g的NaOH,并分別用上述制備好的溶劑20ml分別溶解；其中，由于Zn (CH 3COO) 2 · 2H20不易溶于水，需將其放入烤箱100°C烘烤lOmin，并攪拌成溶液；4)用攪拌機(jī)攪拌Zn (CH3COO) 2 · 2H 20溶液，轉(zhuǎn)速約100r/min，將NaOH溶液以
O.08ml/min 的滴速滴入 Zn (CH 3C00) 2 · 2H 20 溶液；5)形成膠體PH=6. 5后繼續(xù)攪拌2h，關(guān)閉攪拌器，靜置膠體24小時后烘干并研磨成粉末A。2.清洗膠體①反復(fù)用去離子水清洗燒杯、玻璃棒，并在烤箱內(nèi)烘干；②將粉末A用馬弗爐300°C退火，并倒入去離子水中充分?jǐn)嚢?，使粉末中的雜質(zhì)完全溶解。用濾紙篩留較為純凈的粉末A的剩余物；

③反復(fù)清洗3次，用烤箱烘干，研磨成粉末B ；3.摻雜①粉末B和CeO2粉末混合將CeO2 (氧化鈰)按照重量百分比7 ω t%混合到粉末B中，并在研缽中將混合物充分研磨；②將混合研磨后的粉末放入馬弗爐中，退火溫度500°C，恒溫2. 5h，冷卻IOh后取出即為所需樣品；③用甲基纖維素與樣品按1:5的比例混合，逐滴滴入去離子水并攪拌，使其成為具有粘性的膠體將樣品涂在陶瓷管上，并焊接到專用的基座上，如圖I所示；④用HW — 30A型氣敏測試儀測定其氣敏特性，加熱電壓選為6V。本發(fā)明的氣敏元件對丙酮具有很強(qiáng)的選擇性，能夠排除測量氣氛中其他常見有機(jī)蒸汽的干擾。實施例3 I.制備膠體I)用去離子水反復(fù)清洗燒杯、玻璃棒，并在烤箱內(nèi)烘干；2)配置制備膠體的溶劑分別稱取無水乙醇30ml與去離子水40ml混合，攪拌至均勻；3)用托盤天平分別稱取3. 512g的Zn (CH 3C00) 2 · 2H20和3. 08g的NaOH,并分別用上述制備好的溶劑20ml分別溶解；其中，由于Zn (CH3COO)2 ·2Η20不易溶于水，需將其放入烤箱100°C烘烤lOmin，并攪拌成溶液；4)用攪拌機(jī)攪拌Zn (CH 3C00) 2 · 2H 20溶液，轉(zhuǎn)速約100r/min，將NaOH溶液以
O.12ml/min 的滴速滴入 Zn (CH 3C00) 2 · 2H20 溶液；5)形成膠體PH=7. 4后繼續(xù)攪拌lh，關(guān)閉攪拌器，靜置膠體24小時后烘干并研磨成粉末A。2.清洗膠體①反復(fù)用去離子水清洗燒杯、玻璃棒，并在烤箱內(nèi)烘干；②將粉末A用馬弗爐300°C退火，并倒入去離子水中充分?jǐn)嚢瑁狗勰┲械碾s質(zhì)完全溶解。用濾紙篩留較為純凈的粉末A的剩余物；③反復(fù)清洗3次，用烤箱烘干，研磨成粉末B ；3.摻雜①粉末B和CeO2粉末混合將CeO2 (氧化鈰)按照重量百分比7 ω t%混合到粉末B中，并在研缽中將混合物充分研磨；②將混合研磨后的粉末放入馬弗爐中，退火溫度900°C，恒溫2. 5h，冷卻IOh后取出即為所需樣品；③用甲基纖維素與樣品按1:4的比例混合，逐滴滴入去離子水并攪拌，使其成為具有粘性的膠體將樣品涂在陶瓷管上，并焊接到專用的基座上，如圖I所示；④用HW — 30A型氣敏測試儀測定其氣敏特性，加熱電壓選為6V。本發(fā)明的氣敏元件對丙酮具有很強(qiáng)的選擇性，能夠排除測量氣氛中其他常見有機(jī)蒸汽的干擾。本發(fā)明采用溶膠凝膠法制備氣敏元件，方法便捷，性能穩(wěn)定。本發(fā)明所制備出的氣 敏元件僅對丙酮蒸氣有敏感特性，對于其他常見的有機(jī)蒸氣(如乙醇，甲苯，甲醛，汽油等)基本不敏感，可在眾多的混合有機(jī)蒸氣中，檢測出丙酮蒸氣的存在與否及其濃度。
權(quán)利要求
1.一種具有丙酮選擇特性的氧化鋅厚膜氣敏傳感器制備方法，其特征是，按照下述步驟進(jìn)行 a.制備Zn(OH)2膠體分別稱取無水乙醇與去離子水混合，無水乙醇與去離子水體積比為1 0. 5-1:2攪拌至均勻；用托盤天平分別稱取Zn(CH3COO)2 ·2Η20和NaOH，Zn(CH3COO)2· 2Η20和NaOH的摩爾質(zhì)量比為I并分別用上述制備好的溶劑20ml分別溶解；用攪拌機(jī)攪拌 Zn (CH3COO) 2 · 2H20 溶液，轉(zhuǎn)速約 80r/min-100r/min，將 NaOH 溶液以 O. 05ml/min-0. 12ml/min 的滴速滴入 Zn (CH3COO) 2 ·2Η20 溶液；ΡΗ=6. 5-7. 4 后繼續(xù)攪拌 l_3h，關(guān)閉攪拌器，靜置膠體24小時后烘干并研磨成Zn (OH) 2膠體粉末； b.將得到的Zn(OH)2膠體進(jìn)行陳化、凝縮、烘烤得到Zn(OH)2凝膠； c.將凝膠塊充分細(xì)磨加熱后用去離子水或乙醇對凝膠進(jìn)行清洗、干燥再細(xì)磨為粉末，并將氧化鈰按照重量百分比6 ω t%-8 ω t%混合到凝膠粉末中，將混合粉末放入馬弗爐中，退火溫度 500°C -900°C，恒溫 2. 5-3h ； d.將上述混合退火后的混合粉末與甲基纖維素按重量比1:3-1:5的比例混合，然后涂在陶瓷管上進(jìn)行退火燒結(jié)，即成具有丙酮選擇特性的氧化鋅厚膜氣敏傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有丙酮選擇特性的氧化鋅厚膜氣敏傳感器制備方法。本發(fā)明按照下述步驟進(jìn)行首先制備Zn(OH)2膠體利用Zn(CH3COO)2·2H2O和的NaOH為原料制備；然后將得到的Zn(OH)2膠體進(jìn)行陳化、凝縮、烘烤得到Zn(OH)2凝膠，將凝膠塊充分細(xì)磨，并將氧化鈰按照重量百分比7ωt%混合到凝膠粉末中，最后將混合粉末放入馬弗爐中，退火溫度700℃，恒溫3h，將上述混合退火后的混合粉末與甲基纖維素混合，然后將涂在陶瓷管上進(jìn)行退火燒結(jié)即成。制備方式簡單，成本低。本發(fā)明采用溶膠凝膠法制備薄膜，室溫即可滿足制備條件。選擇本發(fā)明的工藝參數(shù)，可使氣敏元件對丙酮具有很高的選擇性、靈敏度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01N27/04GK102830139SQ20121030900
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者何平, 周亞同, 楊帆, 曹冠龍, 潘國峰 申請人:河北工業(yè)大學(xué)