氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】一種基于空心球狀WO3敏感材料的NO2氣體傳感器及其制備方法，屬于氣體傳感器【技術領域】。開發(fā)的傳感器為旁熱式結(jié)構(gòu)，主要組成部分為鎳鎘合金加熱絲、氧化鋁陶瓷管、鉑線、金電極和空心球狀WO3體敏感材料。本發(fā)明利用尺寸均一、中空結(jié)構(gòu)的WO3對NO2快的吸附與脫附、高的靈敏度開發(fā)出了具有高性能的NO2氣體傳感器。傳感器的檢測下限可以達到40ppb。另外傳感器還表現(xiàn)出了良好的長期穩(wěn)定性。在環(huán)境監(jiān)測方面具有良好的應用前景。
【專利說明】基于空心球狀1?03的NO2氣體傳感器及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體傳感器【技術領域】，具體涉及一種基于空心球狀wo3的氧化物半導 體no2氣體傳感器及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 隨著工業(yè)化進程的快速發(fā)展，能源的大量使用，如煤炭、天然氣、石油等燃燒帶來 的有毒有害氣體，已經(jīng)成為了威脅人類健康和安全的一個嚴重的問題。為一種有毒氣 體。能夠引起光化學煙霧和酸雨等，從而危害植物的生長并對建筑物產(chǎn)生腐蝕。即使是在 ppm的量級，它也會傷害人類的消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。美國政府工業(yè)衛(wèi)生學家會議列出空 氣中的安全標準濃度是3ppm。職業(yè)安全與健康管理局（0SHA)設定的標準是5ppm。由此可 見，開發(fā)低廉的、實用的并具有高靈敏度的N02氣體傳感器十分必要。
[0003] 基于這種需求，各國學者都在致力于開發(fā)具有高性能的N02氣體傳感器并被應用 在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)生產(chǎn)安全等方面。包括Si材料、有機材料、氧化物半導體材料等。其中 基于氧化物半導體敏感材料的傳感器具有靈敏度高、響應恢復快、選擇性好和可靠性高等 優(yōu)點，很適合用于實時、連續(xù)和在線監(jiān)測。冊 3因符合這些特性而在近年來受到研宄者們的 廣泛關注。本發(fā)明所使用的敏感材料W03是一種典型的n型半導體，在與氣體NO2接觸后， 電阻上升，即把氣體環(huán)境的變化轉(zhuǎn)化成了可檢測的電信號。因此開發(fā)具有高性能的冊 3基 N02傳感器在環(huán)境監(jiān)測等各個領域具有十分重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于空心球狀冊3氧化物的NO2氣體傳感器，并提供一種 新型的合成分等級結(jié)構(gòu)的W03中空球的方法。
[0005] 本發(fā)明所述的一種基于空心球狀冊3的NO2氣體傳感器，為旁熱式結(jié)構(gòu)，其由外表 面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的陶瓷管襯底、涂覆在陶瓷管外表面和金電極 上的空心球狀W03納米敏感材料和置于陶瓷管內(nèi)的鎳鉻合金加熱絲組成；鎳鉻合金加熱絲 通以直流電來提供傳感器的工作溫度，通過測量不同氣氛中兩條金電極間的直流電阻阻值 實現(xiàn)測量N〇2濃度的功能；其中，空心球狀wo3納米敏感材料由如下步驟制備得到：
[0006] (1)首先將0? 8?1. 2gNa2TO4 ? 2H20、0. 8?1. 2g檸檬酸溶解在30?40mL、體積 比為2?3 :1的水與丙三醇的混合溶劑中，攪拌15?30min后滴入4?5mL、3M的HC1，繼 續(xù)攪拌5?lOmin;
[0007] (2)將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入水熱烘箱中，烘箱參數(shù)設定為 160 ?180°C，20 ?30h;
[0008] (3)反應結(jié)束后，將產(chǎn)物用水和乙醇交替離心洗絳，得到的產(chǎn)物干燥后在400? 600°C下煅燒2?5h，得到空心球狀冊3納米敏感材料。
[0009] 本發(fā)明所述的傳感器采用旁熱式結(jié)構(gòu)，具體工藝如下：
[0010] (1)取空心球狀W03納米敏感材料，與乙醇按質(zhì)量比0? 25?0? 5 :1均勻混合形成 漿料；將該漿料均勻涂覆在表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的A1203陶瓷管的 表面上，使其完全覆蓋金電極；空心球狀冊3納米敏感材料的厚度為15?30um;A1 203陶瓷 管的內(nèi)徑為〇? 6?0? 8mm，外徑為1. 0?1. 5mm，長度為4?5mm;單個金電極的寬度為0? 4? 0? 5mm，兩條金電極的間距為0? 5?0? 6mm;金電極上引出的鉬絲導線，其長度為4?6mm〇
[0011] (2)將涂覆好空心球狀W03納米敏感材料的陶瓷管在200?350°C下燒結(jié)2?5h， 然后將匝數(shù)為50?60匝、電阻值為30?40Q的鎳鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通 以直流電來提供工作溫度，工作溫度為85?150°C;再通過鉑絲導線將陶瓷管焊接在通用 旁熱式六角管座上；
[0012] (3)最后將傳感器在200?400°C空氣環(huán)境中老化5?7天，從而得到W03基NO^ 氣體傳感器。
[0013] 工作原理：
[0014] 當冊3基NO2氣體傳感器置于空氣中時，空氣中的氧氣分子將會從W0 3奪取電子并 以(V、(T或0 的方式存在，材料表面形成耗盡層。當傳感器在一定合適溫度下接觸NO2氣 體時，勵2氣體分子將吸附在傳感器表面。由于NO2強的吸電子能力，電子會從W03轉(zhuǎn)移到 N02，從而使肌)3電阻增加。在這里我們定義傳感器的靈敏度S:S=Rg/Ra，其中艮為傳感器 在空氣中的電阻，Rg為傳感器接觸NO2后的電阻。
[0015] 本發(fā)明優(yōu)點：
[0016] (1)本發(fā)明用一步合成方法制備了納米級別的分等級結(jié)構(gòu)的W03中空球，具備均一 的尺寸分布，為開發(fā)高性能感器提供了一種有效的敏感材料。
[0017] (2)本發(fā)明使用尺寸均一、中空結(jié)構(gòu)的W03敏感材料對NO2快的吸附與脫附、高的 靈敏度，有利于氣體擴散，能夠?qū)崿F(xiàn)快速吸附和脫附。
[0018] (3)開發(fā)的傳感器穩(wěn)定性好，可靠性強。傳感器的檢測下限可以達到40ppb。另外 傳感器還表現(xiàn)出了良好的長期穩(wěn)定性。
[0019] (4)本發(fā)明制作的冊3基NO2氣體傳感器制作工藝簡單，成本低廉，適合工業(yè)上批 量生產(chǎn)。在環(huán)境監(jiān)測方面具有良好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1 :本發(fā)明的W03基NO2傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2 :本發(fā)明的冊3中空球的SEM圖（a)和（b)，本發(fā)明的冊3中空球的TEM圖（c) 和（d)，組成W03中空球的一個獨立的納米顆粒的TEM圖（e)、HRTEM圖（f)以及SAED圖（g)。
[0022] 圖3 :100°C的工作溫度下，本發(fā)明的冊3基勵2傳感器在40?400ppb勵2氣氛中電 阻的實時變化曲線（a)，本發(fā)明的冊3基NO2傳感器靈敏度與NO2濃度之間的函數(shù)關系（b)。
[0023] 圖4 :100°C的工作溫度下，本發(fā)明的冊3基NO2傳感器的長期穩(wěn)定性曲線。
[0024] 如圖1所示，各部件名稱為：A1203絕緣陶瓷管1，鉑線2,環(huán)形金電極3,鎳鎘合金線 圈4、W03納米敏感材料5。
[0025] 如圖2(a)所示，W03空心球尺寸比較均一，每個中空球的直徑為1. 5?2. 5um，仔細 觀察會發(fā)現(xiàn)一些破碎的中空球。圖2(b)給出了一個單獨的破碎的中空球，這也為證明W03 的中空結(jié)構(gòu)提供了直接的證明。同時我們也可以觀察到球壁是由一些納米顆粒組成的。圖 2(c)和圖2(d)是合成的WO^TEM圖，圖中球體呈現(xiàn)出來明顯的明暗對比進一步證明了它 的空心結(jié)構(gòu)，可以觀察到肌)3中空球的壁厚為200?300nm。又對單獨的一個納米顆粒（圖 2 (e))進行了HRTEM測試（圖2 (f))，可以根據(jù)標尺計算出一個方向上相鄰晶面間的距離是 0? 34nm，另一個方向上是0? 385nm，對應于單斜W03(JCPDS卡號? 72-1465) (120)和（002)晶 面。選區(qū)電子衍射的整齊的點陣（圖2(g))也揭示了這些組成冊3中空球的納米顆粒的單 晶本質(zhì)。
[0026] 如圖3(a)所示，在工作溫度為100°C下，103基勵2傳感器的電阻在不同濃度 N02(40?400ppb)氣氛下的變化曲線。起始在空氣中時，電阻Ra不變。當傳感器的環(huán)境組 分由空氣變?yōu)槟c2時，傳感器電阻升高；當傳感器的環(huán)境組分由NO2變?yōu)榭諝鈺r，電阻下降。 我們逐步增加N02的濃度（40?400ppb)，可以觀察到傳感器電阻變化越來越明顯，即隨著 N02濃度的升高，靈敏度增大，并將傳感器靈敏度與NO2濃度的函數(shù)關系列于圖3 (b)。值得 注意的是傳感器能夠檢測的N02濃度下限為40ppb，對應靈敏度為3. 4。
[0027] 如圖4所示為冊3基勵2傳感器的長期穩(wěn)定性曲線。在兩周的時間里，測試了傳感 器在100°C工作溫度下，對lppmN02的靈敏度。在兩周的時間里，靈敏度的波動范圍為75? 85,基本保持在了一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。由此可見，傳感器表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。

【具體實施方式】[0028] 實施例1
[0029] 以W03中空球作為敏感材料制作旁熱式NO2傳感器，其具體的制作過程：
[0030] 1.首先將lgNa2W04 ? 2H20、1. 2g檸檬酸溶解在35mL混合溶劑（水：丙三醇= 25mL: 10mL)。攪拌 20min后，滴入 4mL3MHC1，繼續(xù)攪拌 5min;
[0031] 2.將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入烘箱中，烘箱參數(shù)設定為180°C， 24h；
[0032] 3.反應結(jié)束后，將得到的產(chǎn)物用水和乙醇交替的進行離心洗滌。離心機參數(shù)設為 10000r/min，10min。離心后產(chǎn)物進行干燥。干燥結(jié)束后，將產(chǎn)物在500°C下進行煅燒3h。
[0033] 4.取適量制得的納米材料與乙醇按質(zhì)量比0. 4mg:lmg均勾混合形成衆(zhòng)料。用毛刷 蘸取適量漿料涂覆在市售陶瓷管外表面，使其完全覆蓋外表面的金電極。（管狀陶瓷襯底 的內(nèi)徑為〇. 7mm，外徑為1. 1mm，長度為4. 5mm;其外表面上自帶有兩條相互平行的環(huán)狀金電 極，兩電極單個寬度為〇. 4mm，間距為0. 5mm;金電極上引出的鉑絲導線長度為5mm)。
[0034] 5.將涂覆好的陶瓷管在300°C下燒結(jié)2h，然后將匝數(shù)為50匝、電阻值為30Q的鎳 鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通以直流電來提供工作溫度。最后通過鉑絲導線將陶瓷 管焊接在通用旁熱式六角管座上，從而得到冊 3基氧化物半導體NO2傳感器。
[0035] 6.最后將傳感器在300°C空氣環(huán)境中老化6天，待用。
[0036] 7?在80°C下測試傳感器對lppmN02的靈敏度。
[0037] 實施例2
[0038] 以W03中空球作為敏感材料制作旁熱式NO2傳感器，其具體的制作過程：
[0039] 1.首先將lgNa2W04 ? 2H20、1. 2g檸檬酸溶解在35mL混合溶劑（水：丙三醇= 25mL: 10mL)。攪拌 20min后，滴入 4mL3MHC1，繼續(xù)攪拌 5min;
[0040] 2.將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入水熱烘箱中，烘箱參數(shù)設定為 180°C，24h;
[0041] 3.反應結(jié)束后，將得到的產(chǎn)物用水和乙醇交替的進行離心洗滌。離心機參數(shù)設為 10000r/min，10min。離心后產(chǎn)物進行干燥。干燥結(jié)束后，將產(chǎn)物在500°C下進行煅燒3h。
[0042] 4.取適量制得的納米材料與乙醇按質(zhì)量比0.4mg:lmg均勾混合形成衆(zhòng)料。用毛刷 蘸取適量漿料涂覆在市售陶瓷管外表面，使其完全覆蓋外表面的金電極。（管狀陶瓷襯底 的內(nèi)徑為〇. 7mm，外徑為1. 1mm，長度為4. 5mm;其外表面上自帶有兩條相互平行的環(huán)狀金電 極，兩電極單個寬度為〇. 4mm，間距為0. 5mm;金電極上引出的鉑絲導線長度為5mm。）
[0043] 5.將涂覆好的陶瓷管在300°C下燒結(jié)2h，然后將匝數(shù)為50匝、電阻值為30Q的鎳 鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通以直流電來提供工作溫度。最后通過鉑絲導線將陶瓷 管焊接在通用旁熱式六角管座上，從而得到冊 3基氧化物半導體NO2傳感器。
[0044] 6.最后將傳感器在300°C空氣環(huán)境中老化6天，待用。
[0045] 7?在100°C下測試傳感器對lppmN02的靈敏度。
[0046] 實施例3
[0047] 以W03中空球作為敏感材料制作旁熱式NO2傳感器，其具體的制作過程：
[0048] 1.首先將lg Na2W04? 2H20、1. 2g檸檬酸溶解在35mL混合溶劑（水：丙三醇= 25mL: 10mL)。攪拌 20min后，滴入 4mL3MHC1，繼續(xù)攪拌 5min;
[0049] 2.將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入水熱烘箱中，烘箱參數(shù)設定為 180°C，24h;
[0050] 3.反應結(jié)束后，將得到的產(chǎn)物用水和乙醇交替的進行離心洗滌。離心機參數(shù)設為 10000r/min，10min。離心后產(chǎn)物進行干燥。干燥結(jié)束后，將產(chǎn)物在500°C下進行煅燒3h。
[0051] 4.取適量制得的納米材料與乙醇按質(zhì)量比0.4mg:lmg均勾混合形成衆(zhòng)料。用毛刷 蘸取適量漿料涂覆在市售陶瓷管外表面，使其完全覆蓋外表面的金電極。（管狀陶瓷襯底 的內(nèi)徑為〇. 7mm，外徑為1. 1mm，長度為4. 5mm;其外表面上自帶有兩條相互平行的環(huán)狀金電 極，兩電極單個寬度為〇. 4mm，間距為0. 5mm;金電極上引出的鉑絲導線長度為5mm。）
[0052] 5.將涂覆好的陶瓷管在300°C下燒結(jié)2h，然后將匝數(shù)為50匝、電阻值為30Q的鎳 鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通以直流電來提供工作溫度。最后通過鉑絲導線將陶瓷 管焊接在通用旁熱式六角管座上，從而得到冊 3基氧化物半導體NO2傳感器。
[0053] 6.最后將傳感器在300°C空氣環(huán)境中老化6天，待用。
[0054] 7?在115°C下測試傳感器對lppmN02的靈敏度。
[0055] 實施例4
[0056] 以W03中空球作為敏感材料制作旁熱式NO2傳感器，其具體的制作過程：
[0057] 1.首先將lgNa2W04 ? 2H20、1. 2g檸檬酸溶解在35mL混合溶劑（水：丙三醇= 25mL: 10mL)。攪拌 20min后，滴入 4mL3MHC1，繼續(xù)攪拌 5min;
[0058] 2.將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入水熱烘箱中，烘箱參數(shù)設定為 180°C，24h;
[0059] 3.反應結(jié)束后，將得到的產(chǎn)物用水和乙醇交替的進行離心洗滌。離心機參數(shù)設為 10000r/min，10min。離心后產(chǎn)物進行干燥。干燥結(jié)束后，將產(chǎn)物在500°C下進行煅燒3h。
[0060] 4.取適量制得的納米材料與乙醇按質(zhì)量比0. 4mg:lmg均勾混合形成衆(zhòng)料。用毛刷 蘸取適量漿料涂覆在市售陶瓷管外表面，使其完全覆蓋外表面的金電極。（管狀陶瓷襯底 的內(nèi)徑為〇. 7mm，外徑為1. 1mm，長度為4. 5mm;其外表面上自帶有兩條相互平行的環(huán)狀金電 極，兩電極單個寬度為0. 4mm，間距為0. 5mm;金電極上引出的鉑絲導線長度為5mm。）
[0061] 5.將涂覆好的陶瓷管在300°C下燒結(jié)2h，然后將匝數(shù)為50匝、電阻值為30Q的鎳 鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通以直流電來提供工作溫度。最后通過鉑絲導線將陶瓷 管焊接在通用旁熱式六角管座上，從而得到冊 3基氧化物半導體NO2傳感器。
[0062] 6.最后將傳感器在300°C空氣環(huán)境中老化6天，待用。
[0063] 7.在120°C下測試傳感器對lppmN02的靈敏度。
[0064] 實施例5
[0065] 以W03中空球作為敏感材料制作旁熱式NO2傳感器，其具體的制作過程：
[0066] 1.首先將lgNa2W04? 2H20、1. 2g檸檬酸溶解在35mL混合溶劑（水：丙三醇= 25mL: 10mL)。攪拌 20min后，滴入 4mL3MHC1，繼續(xù)攪拌 5min;
[0067] 2.將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入水熱烘箱中，烘箱參數(shù)設定為 180°C，24h;
[0068] 3.反應結(jié)束后，將得到的產(chǎn)物用水和乙醇交替的進行離心洗滌。離心機參數(shù)設為 10000r/min，10min。離心后產(chǎn)物進行干燥。干燥結(jié)束后，將產(chǎn)物在500°C下進行煅燒3h。
[0069] 4.取適量制得的納米材料與乙醇按質(zhì)量比0.4mg:lmg均勾混合形成衆(zhòng)料。用毛刷 蘸取適量漿料涂覆在市售陶瓷管外表面，使其完全覆蓋外表面的金電極。（管狀陶瓷襯底 的內(nèi)徑為〇. 7mm，外徑為1. 1mm，長度為4. 5mm;其外表面上自帶有兩條相互平行的環(huán)狀金電 極，兩電極單個寬度為〇. 4mm，間距為0. 5mm;金電極上引出的鉑絲導線長度為5mm。）
[0070] 5.將涂覆好的陶瓷管在300°C下燒結(jié)2h，然后將匝數(shù)為50匝、電阻值為30Q的鎳 鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通以直流電來提供工作溫度。最后通過鉑絲導線將陶瓷 管焊接在通用旁熱式六角管座上，從而得到冊 3基氧化物半導體NO2傳感器。
[0071] 6.最后將傳感器在300°C空氣環(huán)境中老化6天，待用。
[0072] 7.在150 °C下測試傳感器對lppmN02的靈敏度。
[0073] 表1 :氣體傳感器在lppmN02氣氛中，靈敏度與工作溫度的關系
[0074]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于空心球狀WO 3的NO 2氣體傳感器，其特征在于：為旁熱式結(jié)構(gòu)，由外表面帶 有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的陶瓷管襯底、涂覆在陶瓷管外表面和金電極上的 空心球狀W03納米敏感材料和置于陶瓷管內(nèi)的鎳鉻合金加熱絲組成；其中，空心球狀W0 3納 米敏感材料由如下步驟制備得到， (1)首先將〇? 8?1. 2g Na2W04 ? 2H20、0. 8?1. 2g檸檬酸溶解在30?40mL、體積比為 2?3 :1的水與丙三醇的混合溶齊IJ中，攪拌15?30min后滴入4?5mL、3M的HC1，繼續(xù)攪 樣 5 ?lOmin ; ⑵將上述溶液裝入到50mL水熱釜中，隨后放入烘箱中，烘箱參數(shù)設定為160? 180°C，20 ?30h ; (3)反應結(jié)束后，將產(chǎn)物用水和乙醇交替離心洗滌，得到的產(chǎn)物干燥后在400?600°C 下煅燒2?5h，得到空心球狀冊3納米敏感材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于空心球狀W0 3的NO 2氣體傳感器，其特征在于：空心球 狀冊3納米敏感材料的厚度為15?30um〇
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于空心球狀W0 3的NO 2氣體傳感器，其特征在于：A1 203陶瓷管的內(nèi)徑為〇? 6?0? 8mm，外徑為1. 0?1. 5mm，長度為4?5mm ;單個金電極的寬度為 0. 4?0. 5mm，兩條金電極的間距為0. 5?0. 6mm ;金電極上引出的鉬絲導線，其長度為4? 6mm 〇
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于空心球狀W0 3的NO 2氣體傳感器，其特征在于：鎳鎘加 熱線圈為50?60匝、電阻值為30?40 D。
5. 權(quán)利要求1所述的一種基于空心球狀W0 3的NO 2氣體傳感器的制備方法，其步驟如 下： (1) 取空心球狀W03納米敏感材料，與乙醇按質(zhì)量比0. 25?0. 5 :1均勻混合形成漿料； 將該漿料均勻涂覆在表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的A1203陶瓷管的表面 上，使其完全覆蓋金電極；并在金電極上引出鉑絲導線； (2) 將涂覆好空心球狀W03納米敏感材料的陶瓷管在200?350°C下燒結(jié)2?5h，然 后將鎳鎘加熱線圈穿過A1203陶瓷管內(nèi)部，通以直流電來提供工作溫度，工作溫度為85? 150°C ;再通過鉑絲導線將陶瓷管焊接在通用旁熱式六角管座上； (3) 最后將傳感器在200?400°C空氣環(huán)境中老化5?7天，從而得到冊3基NO 2氣體 傳感器。
【文檔編號】G01N27/12GK104458827SQ201410778511
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】盧革宇, 王沖, 孫彥峰, 馬健, 孫鵬 申請人:吉林大學