一種基于疊層結(jié)構(gòu)的高性能氣敏傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣敏傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種疊層結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器及其制備方法。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，并可以有效地提高氣敏傳感器的性能。
【背景技術(shù)】
[0002]氣敏傳感器是一種能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度并將氣體種類和濃度的有關(guān)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、分析、報(bào)警的裝置或器件。近年來，氣敏傳感器廣泛應(yīng)用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、過程控制等一系列重大需求領(lǐng)域中，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]隨著氣敏傳感器研宄的深入以及應(yīng)用的需求，氣敏傳感器領(lǐng)域目前研宄的熱點(diǎn)是降低檢測(cè)極限，提高敏感度，提高響應(yīng)恢復(fù)速度，降低工作溫度等。傳統(tǒng)的材料目前已經(jīng)無法達(dá)到要求，對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性是目前研宄的重點(diǎn)，具體的改性方法包括納米化、摻雜、修飾和復(fù)合等方法。在這些方法中，采用多種材料復(fù)合是一種較為有效地提高氣敏性能的方式，因?yàn)閺?fù)合可以利用不同材料的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]在氣敏響應(yīng)過程中，氣體分子與敏感材料之間的反應(yīng)使得氣敏材料電阻發(fā)生變化。這個(gè)過程包含兩個(gè)子過程，一是氣敏材料與氣體分子之間的反應(yīng)，二是氣敏材料電阻的變化。氣敏材料與氣體分子之間的反應(yīng)越劇烈，同時(shí)氣敏材料電阻變化越劇烈，才會(huì)導(dǎo)致整體氣敏性能好。采用復(fù)合的方式對(duì)于氣敏材料的改性的確會(huì)加速氣敏反應(yīng)，但復(fù)合過程使得兩相雜亂無章的排布，這種情況往往會(huì)降低氣敏材料電阻的變化。例如，當(dāng)氧化鋅和氧化鈦復(fù)合時(shí)，形成的復(fù)合材料有助于加速對(duì)甲醛氣體的氣敏反應(yīng)，即實(shí)現(xiàn)了加速“子過程一”的目的。但氧化鈦與氧化鋅在復(fù)合體系中雜亂無章的排布，又由于在兩相接觸的界面形成的勢(shì)皇會(huì)阻止電荷的傳輸，綜合上述的原因會(huì)使得氣敏材料整體的電阻變化并不明顯，并未實(shí)現(xiàn)加速“子過程二”的目的。這樣一來，這種復(fù)合方式雖然在一定程度上提高了整體的氣敏響應(yīng)，但并未發(fā)揮兩個(gè)材料的最大優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的問題是克服現(xiàn)有復(fù)合方法中并不能完全發(fā)揮兩種材料特性的技術(shù)弊端，提供一種氣敏傳感器，它具備有序的疊層結(jié)構(gòu)，以大幅度提供其敏感度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間；本發(fā)明還提供了該氣敏傳感器的制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的氣敏傳感器，包括基板和電極，其特征在于，在基板上依次疊置有導(dǎo)電層和敏感層，形成有序的疊層結(jié)構(gòu)；所述電極置于基板上且位于所述導(dǎo)電層兩端，所述敏感層作為氣敏響應(yīng)反應(yīng)的場(chǎng)所，敏感層內(nèi)摻雜有由敏化劑形成的敏化點(diǎn)，敏化劑對(duì)敏感層進(jìn)行修飾，以提高氣敏傳感器的敏感度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。
[0007]本發(fā)明提供的的氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0008](I)基板的制備:
[0009]選擇氧化鋁、氧化硅、玻璃或藍(lán)寶石惰性材料作為基板，將基板在丙酮溶液中超聲清洗去除表面污漬，然后取出基板用去離子水清洗掉殘留的有機(jī)溶液；
[0010]采用絲網(wǎng)印刷或是掩模光刻的方式在基板上制作金屬導(dǎo)電電極，得到傳感器基板；
[0011](2)導(dǎo)電層制備:
[0012]選取氧化錫或氧化鋅作為原料，采用絲網(wǎng)印刷、水熱合成或激光脈沖沉積方式在傳感器基板上制作一層導(dǎo)電層材料；
[0013](3)敏感層制備:
[0014]選取三氧化鎢、二氧化鈦、氧化銅或氧化鈷作為原料，采用絲網(wǎng)印刷、水熱合成或激光脈沖沉積方式在所述導(dǎo)電層上制作一層敏感層；
[0015](4)敏感層修飾:
[0016]選取鈀、鉑的氯化物，鈀、鉑的硝酸鹽，硫化鎘，或者錫化鎘作為敏化劑，采用滴注或浸泡的方式對(duì)敏感層進(jìn)行修飾，并在300?600°C經(jīng)過2?4小時(shí)煅燒得到有序疊層結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器。
[0017]按照本方法制備的氣敏傳感器具有有序的疊層結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)電層可以作為電子的導(dǎo)電通道，敏感層作為氣敏響應(yīng)反應(yīng)的場(chǎng)所。相比傳統(tǒng)的復(fù)合方式，疊層復(fù)合可以利用氧化錫、氧化鋅導(dǎo)電性好的特點(diǎn)，將敏感層發(fā)生氣敏反應(yīng)后產(chǎn)生的電子濃度的變化通過導(dǎo)電層迅速傳遞給外電路，有效地提高氣敏傳感器響應(yīng)恢復(fù)速度。另外，采用敏化劑對(duì)敏感層進(jìn)行修飾可以進(jìn)一步提高氣敏傳感器的響應(yīng)度，降低檢測(cè)極限。本發(fā)明采用雙管齊下的方式提高氣敏傳感器性能。
【附圖說明】
[0018]圖1為基于疊層結(jié)構(gòu)的高性能氣敏傳感器示意圖；
[0019]圖中，I為基板，2為電極，3為導(dǎo)電層，4為敏感層，5為敏化點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有序復(fù)合氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)為:在基板I上依次疊置有導(dǎo)電層3和敏感層4，基板上還設(shè)置有電極2，導(dǎo)電層3的材料為氧化鋅或氧化錫。敏感層4材料為三氧化鎢、二氧化鈦、氧化銅或氧化鈷，在敏感層4內(nèi)摻雜有由鈀、鉑的氯化物、硝酸鹽，硫化鎘或錫化鎘作為敏化劑形成的敏化點(diǎn)5。這種結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的復(fù)合模式，復(fù)合的結(jié)構(gòu)是采用層狀堆疊的模式，且每一層都有其特定的用途。
[0022]敏感層是氣敏反應(yīng)發(fā)生的主要場(chǎng)所，敏感層材料與環(huán)境中氣體分子反應(yīng)時(shí)得失電子的過程會(huì)導(dǎo)致敏感層電性能的變化，這個(gè)變化就是敏感層材料的氣敏性能。因此敏感層選用的是具有良好氣敏性能的敏感材料，并采用敏化劑進(jìn)一步提高敏感層的活性。導(dǎo)電層是傳導(dǎo)電荷的通道，相比于敏感層，導(dǎo)電層材料的電導(dǎo)率高于敏感層，使得敏感層發(fā)生氣敏反應(yīng)后產(chǎn)生的電子濃度的變化通過導(dǎo)電層快速傳遞給外電路，提高敏感層的氣敏反應(yīng)速度。同時(shí)敏感層與導(dǎo)電層不同材料之間形成的異質(zhì)結(jié)可以提高電荷分離的效果，有利于提升氣敏反應(yīng)。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)復(fù)合方式，采用有序疊層復(fù)合的方式一方面保留了傳統(tǒng)復(fù)合方式帶來的異質(zhì)結(jié)電荷分離的效果，另一方面能最大發(fā)揮兩種材料各自的特性，進(jìn)一步提升傳感器的敏感度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。
[0023]本發(fā)明提供的一種基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有序復(fù)合氣敏傳感器制備方法，具體包括以下步驟:
[0024](I)基板的制備:
[0025]選擇氧化鋁、氧化硅、玻璃或藍(lán)寶石惰性材料作為基板，將基板在丙酮溶液中超聲清洗去除表面污漬，然后取出基板用去離子水清洗掉殘留的有機(jī)溶液。
[0026]采用絲網(wǎng)印刷或是掩模光刻的方式在基板上制作金屬導(dǎo)電電極，如金、銀、鉑，得到傳感器基板。
[0027](2)導(dǎo)電層制備:
[0028]選取氧化錫或氧化鋅作為原料，采用絲網(wǎng)印刷、水熱合成、激光脈沖沉積方式在傳感器基板上制作一層導(dǎo)電層材料。