一種低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣敏傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展使得大氣問題日益嚴(yán)重，人們對(duì)于健康問題越來越關(guān)注，這推動(dòng)了有高性能的氣敏材料與器件的發(fā)展。目前用于有毒有害氣體檢測(cè)的半導(dǎo)體金屬氧化物的種類繁多，如氧化鋅、氧化錫、氧化鎢、氧化銦等。其中，氧化鎢是一種寬禁帶的N型半導(dǎo)體材料，由于其低成本、高穩(wěn)定性和高選擇性在氣敏傳感器領(lǐng)域有廣泛的研究，經(jīng)常用于各種有毒有害氣體如N0X、S02、NH3等檢測(cè)。但是，WO3氣敏材料工作溫度遠(yuǎn)高于室溫(200°C)特點(diǎn)使得基于氧化鎢納米結(jié)構(gòu)氣敏傳感器需要考慮加熱裝置，這極大的增加了傳感器的功耗。因此，科技人員一直致力于用于低溫工作的且具有高靈敏度的氣敏傳感器的研究。WO3對(duì)氣體的敏感機(jī)理屬于表面電阻控制型，是基于氧氣與被測(cè)氣體在半導(dǎo)體晶粒表面發(fā)生化學(xué)吸附和反應(yīng)對(duì)WO3半導(dǎo)體表面電阻的調(diào)制過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒?，克服現(xiàn)有技術(shù)中氧化鎢氣敏傳感器存在的工作溫度較高的問題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒ǎ哂幸韵虏襟E:
[0005](I)陶瓷片基底的清洗
[0006]采用陶瓷片作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無水乙醇中超聲振蕩15-20min，除去表面有機(jī)物雜質(zhì)。隨后將陶瓷片基底放入去離子水中清洗，沖洗完成后放入無水乙醇中，并置于紅外烘箱中烘干；
[0007](2)制備Pt的叉指電極
[0008]將陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999 %的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa,濺射功率80-90W，濺射時(shí)間8_10min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極；
[0009](3)制備反應(yīng)溶液
[0010]首先配置六氯化鎢反應(yīng)溶液，將1.19g六氯化鎢溶于20ml正丙醇中，磁力攪拌至全部溶解，形成黃色的溶液。之后在黃色溶液中加入45ml去離子水，最終形成藍(lán)色的六氯化鎢溶液；
[0011](4)制備氣敏傳感器
[0012]將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，同時(shí)將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度180-210°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間為7h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫；
[0013](5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底
[0014]將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在60_80°C的真空干燥箱中干燥8-10h;
[0015](6)氣敏傳感器元件的熱處理
[0016]將步驟(5)所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為300-400°C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為2-5°C/min，用以增加氧化鎢納米片的結(jié)晶性。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明以陶瓷片為基底，采用溶劑熱法在基底上制備了三氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，提供了一種制備具有較大的比表面積和表面活性的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)的方法，所制得的氣敏傳感器具有高靈敏度、優(yōu)良的穩(wěn)定性和易于微電子工藝技術(shù)兼容。溶劑熱法具有設(shè)備簡單、操作方便、可重復(fù)性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這一材料在降低氣敏傳感器的工作溫度、提高傳感器的靈敏度和選擇性方面有重要的實(shí)踐和研究價(jià)值。
【附圖說明】
[0018]圖1是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米片的掃描電子顯微鏡照片，標(biāo)尺為200nm;
[0019]圖2是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米片的XRD圖譜；
[0020]圖3是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在不同工作溫度下對(duì)lppm NO2氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；
[0021]圖4是實(shí)施例1所制備的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C條件下對(duì)IppmNO2氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線；
[0022]圖5是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C條件下對(duì)多種氣體的選擇性示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純?cè)噭?br>[0025]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純?cè)噭?br>[0026]實(shí)施例1
[0027](I)陶瓷片基底的清洗:
[0028]采用陶瓷片(lCmX2Cm)作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無水乙醇中超聲振蕩15min，除去表面有機(jī)物雜質(zhì)。并置于紅外烘箱中烘干待用。
[0029](2)制備Pt的叉指電極:
[0030]將陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999 %的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa,濺射功率85W，濺射時(shí)間1min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極。
[0031](3)制備反應(yīng)溶液:
[0032]首先配置六氯化鎢反應(yīng)溶液，稱取1.19g六氯化鎢溶于20ml正丙醇中，磁力攪拌至全部溶解，形成黃色的溶液。之后在黃色溶液中加入45ml去離子水，最終形成藍(lán)色的六氯化鎢溶液。
[0033](4)制備氣敏傳感器:
[0034]將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于10ml水熱反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，同時(shí)將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度200°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間為7h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫；
[0035](5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底:
[0036]將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在80 0C的真空干燥箱中干燥9h。
[0037]實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米片的表面形貌的電子顯微鏡分析結(jié)果如圖1所示。會(huì)在氧化鋁基底上形成均勻分布的直徑為500-1500nm的納米片。
[0038](6)氣敏傳感器元件的熱處理:
[0039]將步驟(5)所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為350 °C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為2.5 °C/min。
[0040]實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米片的X射線衍射分析結(jié)果如圖2所示。XRD譜圖顯示氧化鎢納米片的晶相為單晶的單斜相W03，并具有良好的結(jié)晶性。
[0041]實(shí)施例1制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在不同工作溫度下對(duì)lppmN02氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖如圖3所示，可以看出氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)傳感器的最佳工作溫度為100°C。其在最佳工作溫度下的靈敏度與lppm NO2氣體濃度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖如圖4所示。
[0042]由實(shí)施例1所制得的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在最佳工作溫度下對(duì)10ppm氨氣、乙醇、丙酮、甲醇、異丙醇蒸汽的靈敏度分別為2.22、1.88、1.65、1.53、1.39、1.18，而對(duì)lppm N02氣體的靈敏度為28.3，如圖5所示。這表明該氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件對(duì)NO2氣體具有優(yōu)良的選擇性。
[0043]實(shí)施例2
[0044]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:步驟(4)中溶劑熱的反應(yīng)溫度為180°C，所制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°c下對(duì)I ppm NO2氣體的靈敏度為8.72。
[0045]實(shí)施例3
[0046]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:步驟(4)中溶劑熱的反應(yīng)溫度為190°C，所制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°c下對(duì)I ppm NO2氣體的靈敏度為10.34。
[0047]實(shí)施例4
[0048]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:步驟(4)中溶劑熱的反應(yīng)溫度為210°C，所制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°c下對(duì)I ppm NO2氣體的靈敏度為15.38。
[0049]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒?，其特征在于，包括以下步驟: (1)陶瓷片基底的清洗 采用陶瓷片作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無水乙醇中超聲振蕩15-20min，除去表面有機(jī)物雜質(zhì)；隨后將陶瓷片基底放入去離子水中清洗，沖洗完成后放入無水乙醇中，并置于紅外烘箱中烘干； (2)制備Pt的叉指電極 將陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999 %的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa,濺射功率80-90W，濺射時(shí)間8_10min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極； (3)制備反應(yīng)溶液 首先配置六氯化鎢反應(yīng)溶液，將1.19g六氯化鎢溶于20ml正丙醇中，磁力攪拌至全部溶解，形成黃色的溶液;之后在黃色溶液中加入45ml去離子水，最終形成藍(lán)色的六氯化鎢溶液； (4)制備氣敏傳感器 將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，同時(shí)將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度180-210°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間為7h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫； (5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底 將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在60-80 0C的真空干燥箱中干燥8-1 Oh; (6)氣敏傳感器元件的熱處理 將步驟(5)所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，用以增加氧化鎢納米片的結(jié)晶性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒?，其特征在于，所述步驟(6)熱處理溫度為300-400°C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為2-5°C/min。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低溫工作的高靈敏度二氧化氮?dú)饷舨牧系闹苽浞椒?，具有以下步驟：(1)陶瓷片基底的清洗；(2)制備Pt的叉指電極；(3)制備反應(yīng)溶液；(4)制備氣敏傳感器；(5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底；(6)氣敏傳感器元件的熱處理。本發(fā)明以陶瓷片為基底，采用溶劑熱法在基底上制備了三氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，提供了一種制備具有較大的比表面積和表面活性的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)的方法，所制得的氣敏傳感器具有高靈敏度、優(yōu)良的穩(wěn)定性和易于微電子工藝技術(shù)兼容。溶劑熱法具有設(shè)備簡單、操作方便、可重復(fù)性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這一材料在降低氣敏傳感器的工作溫度、提高傳感器的靈敏度和選擇性方面有重要的實(shí)踐和研究價(jià)值。
【IPC分類】G01N27/12
【公開號(hào)】CN105628749
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610011641
【發(fā)明人】胡明, 王自帥, 王毅斐, 劉相承, 袁琳
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年1月5日