一種氣體傳感器納米敏感材料、其漿料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種氣體傳感器納米敏感材料、其漿料及其制備和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著環(huán)境生態(tài)、大氣污染等問題日趨嚴(yán)重，加強(qiáng)對環(huán)境大氣的檢測也顯得尤為重要，氣體傳感器作為一種常用的氣體檢測儀器被廣泛應(yīng)用于檢測各種氣體。敏感材料是氣體傳感器的核心，直接決定了氣體傳感器實際應(yīng)用的性能發(fā)揮。以金屬或金屬氧化物半導(dǎo)體作為敏感層的半導(dǎo)體氣體傳感器是最早實現(xiàn)商業(yè)化、應(yīng)用最為廣泛的氣體傳感器。而目前這類半導(dǎo)體氣體傳感器普遍存在靈敏度低、響應(yīng)恢復(fù)慢、選擇性差及檢測限低等突出問題限制了其應(yīng)用范圍與場所。選擇和開發(fā)新型敏感材料，都將使氣體傳感器的氣體敏感特性達(dá)到最優(yōu)。
[0003]相比于常規(guī)的半導(dǎo)體氣敏材料，以納米材料作為敏感材料的氣體傳感器極大地提高了響應(yīng)靈敏度、選擇性、長期穩(wěn)定性，對降低工作溫度和縮短響應(yīng)恢復(fù)時間也有著重要作用。然而納米敏感材料的制備往往存在工藝復(fù)雜不易控制、產(chǎn)率低等缺點，不易批量生產(chǎn)，在實際的應(yīng)用產(chǎn)品中還較少見。另一方面，漿料性能是納米敏感材料涂敷技術(shù)的關(guān)鍵，漿料配制直接影響氣敏傳感器件的成膜穩(wěn)定性。由于納米材料受熱易團(tuán)聚，容易造成熱處理后涂覆膜層開裂，成膜厚度不均一，一致性、重復(fù)性差等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種氣體傳感器納米敏感材料、其漿料及其制備和應(yīng)用，所制出的具有高靈敏度、高可靠性的新型氣體傳感器，依靠其高度集成性、體積小、低功耗等性能特點，提升氣體傳感器在便攜式移動設(shè)備、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、空調(diào)冰箱等智能家居生活領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是:一種氣體傳感器納米敏感材料，其特征在于:包含下述反應(yīng)制備得到的產(chǎn)物:
[0006]1)將錫酸鹽加入超純水中，超聲分散5?20min，得到透明均一的錫酸鹽水溶液，加入尿素乙醇溶液，繼續(xù)超聲混勻10?20min，得到的混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，收集底部沉淀物，離心洗滌，置于烘箱中干燥；
[0007]2)將干燥后得到的納米Sn02空心球粉末，加入蒸餾水超聲分散10?30min，攪拌條件下滴加Pd (N03) 2溶液，加入氨水至混合溶液的pH在9?12，室溫下攪拌12?24h，離心收集底部沉淀，洗滌至中性，干燥后最終得到Pd摻雜的納米二氧化錫(Pd0/Sn02)空心球。
[0008]按上述方案，所述的錫酸鹽為錫酸鈉或錫酸鉀。
[0009]按上述方案，所述的錫酸鹽水溶液的濃度為0.01?0.05mol/Lo
[0010]按上述方案，所述的尿素乙醇溶液的濃度為0.05?0.5mol/L0
[0011]按上述方案，錫酸鹽水溶液與尿素乙醇溶液的體積比為(1?4):1。
[0012]按上述方案，所述的水熱反應(yīng)溫度為120?180°C，水熱反應(yīng)時間為12?24h。
[0013]按上述方案，所述的干燥溫度為60?80°C，干燥時間為12?24h。
[0014]按上述方案，所述的Pd(N03)2與Sn02的質(zhì)量比為(0.5?5):100。
[0015]按上述方案，所述的Pd摻雜的納米二氧化錫(Pd0/Sn02)空心球的直徑為300?500nmo
[0016]所述的氣體傳感器納米敏感材料的制備方法，包括有以下步驟:
[0017]1)將錫酸鹽加入超純水中，超聲分散5?20min，得到透明均一的錫酸鹽水溶液，加入尿素乙醇溶液，繼續(xù)超聲混勻10?20min，得到的混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，收集底部沉淀物，離心洗滌，置于烘箱中干燥；
[0018]2)將干燥后得到的納米Sn02空心球粉末，加入蒸餾水超聲分散10?30min，攪拌條件下滴加Pd (N03) 2溶液，加入氨水至混合溶液的pH在9?12，室溫下攪拌12?24h，離心收集底部沉淀，洗滌至中性，干燥后最終得到Pd摻雜的納米二氧化錫(Pd0/Sn02)空心球。
[0019]所述的氣體傳感器納米敏感材料的氣敏漿料，其包括有以下質(zhì)量百分比組成:
[0020]氣體傳感器納米敏感材料:20?50 % ;溶劑:45?75 % ;分散劑:1?2.5 % ;消泡劑:0.3?1% ;粘結(jié)劑:0.1?0.5% ;水溶性高分子聚合物:0.5?1%。
[0021]按上述方案，所述的溶劑為丙三醇、乙二醇和水的混合物，其中丙三醇、乙二醇、水的質(zhì)量百分比為(40?60% ): (30?50% ): (10?30% )。
[0022]按上述方案，所述分散劑為BYK-190 ;所述消泡劑為正辛醇；所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇水溶液；所述水溶性高分子聚合物為羥乙基纖維素。
[0023]所述的氣敏漿料的制備方法，包括有以下制備步驟:
[0024]1)將溶劑與水溶性高分子聚合物進(jìn)行稱重混合；
[0025]2)將氣體傳感器納米敏感材料與步驟1)得到的溶劑載體混合；
[0026]3)向步驟2)的混合液中依次加入分散劑、消泡劑、粘結(jié)劑，其中各組成含量以質(zhì)量百分比計為:氣體傳感器納米敏感材料:20?50%;溶劑:45?75%;分散劑:1?2.5%;消泡劑:0.3?1% ;粘結(jié)劑:0.1?0.5% ;水溶性高分子聚合物:0.5?1% ;
[0027]4)步驟3)混合液經(jīng)自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)攪拌機(jī)混合攪拌、脫泡處理后，制備得到最終的納米敏感材料的漿料。
[0028]所述的氣體傳感器納米敏感材料在氣體傳感器中的應(yīng)用。
[0029]本發(fā)明制備的納米敏感材料漿料涂覆于氣體傳感器襯底上，先依次在60、150、200°C下保溫5min除去溶劑等物質(zhì)，再利用高溫或氧等離子體除去聚合物并加強(qiáng)燒結(jié)，最后進(jìn)行氣敏性能測試，測試溫度為320°C，測試乙醇?xì)怏w濃度為1?lOOOppm。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:
[0031 ] 1、本發(fā)明制備的納米Pd0/Sn02空心球敏感材料，制備方法簡單，引入雜質(zhì)離子少，產(chǎn)率高，易于批量生產(chǎn)，材料比表面積大，分散性好，具有高的靈敏度與較快的響應(yīng)恢復(fù)時間；
[0032]2、本發(fā)明制備的敏感漿料中溶劑、分散劑、消泡劑經(jīng)低溫?zé)崽幚砜梢来螕]發(fā)除去，不易造成膜層裂紋和缺陷，高溫?zé)崽幚砘蜓醯入x子體除去粘結(jié)劑、高分子聚合物，加強(qiáng)膜層燒結(jié)及與膜層的粘結(jié)性，提高膜層穩(wěn)定性，同時高分子聚合物經(jīng)除去后留下的孔道有利于氣體分子的傳輸，提升敏感膜層的氣敏性；
[0033]3、應(yīng)用于基于MEMS技術(shù)的微型氣體傳感器中，有望滿足便攜式人工智能多功能傳感器產(chǎn)品市場的廣泛需求。
【附圖說明】
[0034]圖1是實施例2所述納米敏感材料的SEM圖；
[0035]圖2是實施例2所述納米敏感材料的TEM圖；
[0036]圖3是實施例2所述納米敏感材料所配漿料通過點膠涂覆在Si襯底上的照片；
[0037]圖4是實施例2所述納米敏感漿料膜層對乙醇的靈敏度與濃度關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但是此說明不會構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0039]實施例1
[0040]將錫酸鈉加入到超純水中，超聲分散5min得到0.01mol/L的透明均一水溶液，加入超聲分散好的0.05mol/L尿素乙醇溶液，兩者體積比為1:1，繼續(xù)超聲混勻lOmin，得到的混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，120°C反應(yīng)12h，反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，收集底部沉淀物，離心洗滌，置于60°C烘箱中干燥24h，最終得到納米Sn02S心球。
[0041]將干燥后得到的納米Sn02空心球粉末，加入蒸餾水超聲分散15min，攪拌條件下滴加Pd (N03) 2溶液，Pd (NO 3) 2與SnO 2的質(zhì)量比為1:100，加入氨水至混合溶液的pH = 9，室溫下攪拌12h，離心收集底部沉淀，洗滌至中性，干燥后最終得到Pd摻雜的納米lwt% PdO/Sn02空心球。
[0042]以納米lwt% Pd0/Sn02S心球為敏感材料制備的楽料，添加的各組分質(zhì)量百分比分別為，
[0043]敏感材料:23%;
[0044]溶劑:75%，溶劑為丙三醇、乙二醇和水的混合物；分散劑:1.5% ;消泡劑:0.1 % ;粘結(jié)劑:0.2% ;水溶性高分子聚合物:0.2%，其中所述分散劑為BYK-190 ;所述消泡劑為正辛醇；所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇水溶液；所述水溶性高分子聚合物為羥乙基纖維素；
[0045]首先將溶劑與水溶性高分子聚合物進(jìn)行稱重混合，其中丙三醇、乙二醇、水的質(zhì)量百分比為55:30:15，再加入分散劑、消泡劑、粘結(jié)劑，得到的混合漿料經(jīng)自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)攪拌機(jī)混合攪拌、脫泡處理后，最終制備得到納米敏感材料漿料。
[0046]制備的納米敏感材料漿料點膠涂覆于氣體傳感器襯底上，先依次在60、150,200°C下保溫5min除去溶劑等物質(zhì)，再于500°C保溫lh，除去聚合物并加強(qiáng)燒結(jié)，最后進(jìn)行氣敏性能測試，測試溫度為320°C，測試乙醇?xì)怏w濃度為1?lOOOppm。
[0047]實施例2
[0048]將錫酸鉀加入到超純水中，超聲分散lOmin得到0.02mol/L的透明均一水溶液，加入超聲分散好的0.lmol/L尿素乙醇溶液，兩者體積比為1.8:1，繼續(xù)超聲混勻15min，得到的混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中，150°C反應(yīng)24h，反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，收集底部沉淀物，離心洗滌，置于80°C烘箱中干燥12h，最終得到納米Sn02S心球。
[0049]將干燥后得到的納米Sn02空心球粉末，加入蒸餾水超聲分散20min，攪拌條件下滴加Pd(N03)2溶液，Pd(N03)2與SnO 2的質(zhì)量比為2:100，加入氨水至混合溶液的pH = 10，室溫下攪拌24h，離心收集底部沉淀，洗滌至中性，干燥后最終得到Pd摻雜的納米2wt% PdO/Sn02空心球。
[0050]以納米2wt% Pd0/Sn02S心球為敏感材料制備的楽料，添加的各組分質(zhì)量百分比分別為，
[0051]敏感材料:30%;