一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，该方法包括：(1)使用磁控溅射技术在气体传感器四角元器件基底上溅射一层纯ZnO薄膜；(2)配制生长花状ZnO纳米棒团簇的溶液；(3)将溅射有ZnO薄膜的四角元器件基底放在所配制溶液中，在烘箱中分两步进行化学溶解，获得花状ZnO纳米棒团簇；(4)将四角元器件基底焊在元器件上并对乙醇进行气敏性能的测试。该方法制备的气敏材料对乙醇具有很高的灵敏度以及很低的检测极限。本发明操作简便，反应条件温和，可用于大规模的制备气敏传感器元器件，适用于工业化生产。
【专利说明】一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对气体敏感的薄膜气敏材料的制备。直接在传感器元器件上制备气敏材料。
【背景技术】
[0002]气体传感器是用来检测气体的成分和含量的传感器。一般认为，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂志和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。近年来，气体传感器已经被广泛应用于检测和监控不同的气体和有机蒸气，包括有毒的或易爆炸的气体、湿度和气味检测。例如:C02、C0、S02、02、03、H2、Ar、N2、H20、甲醇、乙醇、异丙醇等。
[0003]随着经济快速发展、生活水平不断提高和对环境保护的重视，气体传感器的作用日益显著，已用于各种有毒、有害气体探测，大气污染、工业废气监测以及对食品和居住环境质量的检测等。通常一只理想的气体传感器应具有以下特点:(1)高选择性，只对某种特定气体敏感，不敏感其他气体；(2)可逆性，可以重复敏感，也就是说不是一次性的敏感而可以长期多次使用；(3)响应速度快，通常要求响应速度小于50s (包括气体吸附和去吸附两个过程)，理想情况下应小于IOs ; (4)灵敏度高，只有高的灵敏度才能对微少量的气体浓度产生敏感；(5)使用寿命长，一般要求半年或一年以上；(6)体积小，方便安装和携带；
(7)结构简单，包括传感器本身结构和检测装置两部分；(8)控制检测容易，最大限度地降低气体传感器及检测装置的成本；(9)无污染和无毒副作用，要求气体传感器对环境和人体均不构成污染。而当传感器只对某一种气体敏感的时候，才能精确测量这一气体的浓度。因此，选择性是气体传感器很重要的指标之一，对其研究显得非常必要。
[0004]而磁控溅射法具有设备简单、价格便宜、成膜均匀、可用于大批量制膜等优点，目前在工业生产中已经得到了广泛的应用。
[0005]这种传感器在应用过程中测量范围宽，精度高，输入、输出线性度好；功能齐全，使用方便，可作为常用系统的测量及保护；体积小，重量轻，无污染，抗干扰，具有优越的环保特性。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法。
[0007]一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
(1)气体传感器四角元器件基底的清洗:依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；
(2)在气体传感器四角元器件基底表面溅射氧化锌薄膜:采用射频电源溅射氧化锌陶瓷靶，溅射气体为纯氩气；
(3)配制生长花状氧化锌纳米棒团簇的溶液；
(4)对步骤(2)中所得气体传感器四角元器件基底在步骤(3)配制的溶液里在烘箱中分两步进行化学溶解，制备出花状氧化锌纳米棒团簇；
(5)将所得气体传感器四角元器基底件焊接在元器件件上，并对乙醇进行气敏性能的测试。
[0008]步骤(2)中所述对磁控溅射腔抽真空，使其真空度小于5.0X I 0_4Pa。
[0009]步骤(2)中所述调节气体传感器四角元器件基底与靶材的距离为10?20厘米，选用99.99%的氧化锌陶瓷靶作为氧化锌薄膜沉积的溅射靶。
[0010]步骤(2)中所述溅射功率为20-100W，溅射时间为0.5-1小时。
[0011]步骤(2)中所述纯氩气的纯度为99.99%以上，流量为20-80sccm，气体压强为
0.3_0.8Pa。
[0012]步骤(3)中所述的溶液中六水合硝酸锌的质量分数为0.01-0.1% ;步骤(3)中所述的溶液中六亚甲基四胺的质量分数为0.01-0.1%。
[0013]步骤(4)中所述在烘箱中进行第一步化学溶解反应时，控释95°C条件下6-12小时。
[0014]步骤(4)中所述在烘箱中进行第二步化学溶解反应时，控制50°C条件下6-12小时。
[0015]步骤(I)中所述丙酮、乙醇以及去离子水超声的时间各为5-20分钟。
[0016]步骤(5)中所述对乙醇测试的温度为230_380°C，测试浓度为5-100 ppm。
[0017]主要创新点在于气敏材料的选择，由于Al2O3陶瓷基底的不平整性，导致溅射的ZnO种子层也不是十分光滑，最终使得在ZnO颗粒表面生长的ZnO纳米棒团簇呈现出花状，增加了它的比表面积，从而使得接触乙醇的面积增加，大幅度提高了气体传感器对乙醇的敏感度。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
本发明将溅射有ZnO种子层的气体传感器四角元器件基底直接放入所配溶液中进行化学溶解，通过控制时间和溶液浓度来控制ZnO纳米棒的直径，制得的气体传感器对乙醇具有很大的灵敏度，并且具有很低的检测极限。测试温度越高，检测极限越低，且灵敏度越高。本发明操作简便，反应条件温和，并且磁控溅射方法价格便宜、成膜均匀，可用于大面积制备薄膜，适用于工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明实施例1中化学溶解法生长的ZnO纳米管团簇的SEM像；其中图a为纳米棒团簇放大5万倍的SEM图，图b为纳米棒放大2000倍的SEM图。
[0020]图2为本发明实施例2中化学溶解法生长的ZnO纳米管团簇的SEM像；其中图a为纳米棒团簇放大I万倍的SEM图，图b为纳米棒放大2000倍的SEM图。
[0021]图3为本发明实施例3中化学溶解法生长的ZnO纳米管团簇的SEM像；其中图a为纳米棒团簇放大2万倍的SEM图，图b为纳米棒放大5000倍的SEM图。
【具体实施方式】[0022]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0023]实施例1:
(1)将Al2O3陶瓷片清洗:依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗IOmin；
(2)将(I)中的陶瓷片置于磁控溅射腔内，采用射频电源溅射ZnO陶瓷靶，溅射一层ZnO种子层，溅射功率20W，溅射时间lh，纯氩气流量20SCCm，背底真空度4.0 X 10_4Pa，溅射气压
0.3pa，最终获得ZnO薄膜厚度约为50nm ；
(3)配制生长花状ZnO纳米棒团簇的溶液；六水合硝酸锌的质量分数为0.1%，六亚甲基四胺的质量分数为0.1% ；
(4)对步骤(2)中所得Al2O3陶瓷片在步骤(3)配制的溶液里在烘箱中分两步进行化学溶解，其中第一步控释80°C条件下8h，第二步控制40°C条件下10h，制备出花状ZnO纳米棒团簇。
[0024](5)将步骤(4)中所得的四角元器件基底焊在元器件上并对乙醇进行测试，330°C下的检测极限为20ppm，灵敏度为3.6。
[0025]实施例2:
(1)将Al2O3陶瓷片清洗:依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗IOmin；
(2)将(I)中的陶瓷片置于磁控溅射腔内，采用射频电源溅射ZnO陶瓷靶，溅射一层ZnO种子层，溅射功率100W，溅射时间0.5h，纯氩气流量40SCCm，背底真空度4.0 X 10_4Pa，溅射气压0.6pa，最终获得ZnO薄膜厚度约为50nm ；
(3)配制生长花状ZnO纳米棒团簇的溶液；六水合硝酸锌的质量分数为0.01%，六亚甲基四胺的质量分数为0.01% ；
(4 )对步骤(2 )中所得Al2O3陶瓷片在步骤(3 )配制的溶液里在烘箱中分两步进行化学溶解，其中第一步控释110°c条件下12h，第二步控制50°C条件下24h，制备出花状ZnO纳米棒团簇。
[0026](5)将步骤(4)中所得的四角元器件基底焊在元器件上并对乙醇进行测试，380°C下的检测极限为5ppm,灵敏度为5.2。
[0027]实施例3:
(1)将Al2O3陶瓷片清洗:依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗IOmin；
(2)将(I)中的陶瓷片置于磁控溅射腔内，采用射频电源溅射ZnO陶瓷靶，溅射一层ZnO种子层，溅射功率100W，溅射时间0.5h，纯氩气流量40SCCm，背底真空度4.0 X 10_4Pa，溅射气压0.6pa，最终获得ZnO薄膜厚度约为50nm ；
(3)配制生长花状ZnO纳米棒团簇的溶液；六水合硝酸锌的质量分数为0.01%，六亚甲基四胺的质量分数为0.01% ；
(4 )对步骤(2 )中所得Al2O3陶瓷片在步骤(3 )配制的溶液里在烘箱中分两步进行化学溶解，其中第一步控释95°C条件下6h，第二步控制60°C条件下6h，制备出花状ZnO纳米棒团簇。
[0028](5)将步骤(4)中所得的四角元器件基底焊在元器件上并对乙醇进行测试，230°C下的检测极限为lOOppm，灵敏度为2.2。
[0029]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)气体传感器四角元器件基底的清洗:依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗； (2)在气体传感器四角元器件基底表面溅射氧化锌薄膜:采用射频电源溅射氧化锌陶瓷靶，溅射气体为纯氩气； (3)配制生长花状氧化锌纳米棒团簇的溶液； (4)对步骤(2)中所得气体传感器四角元器件基底在步骤(3)配制的溶液里在烘箱中分两步进行化学溶解，制备出花状氧化锌纳米棒团簇； (5)将所得气体传感器四角元器基底件焊接在元器件件上，并对乙醇进行气敏性能的测试。
2.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述对磁控溅射腔抽真空，使其真空度小于5.0X I (T4Pa。
3.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述调节气体传感器四角元器件基底与靶材的距离为10?20厘米，选用99.99%的氧化锌陶瓷靶作为氧化锌薄膜沉积的溅射靶。
4.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述溅射功率为20-100W，溅射时间为0.5-1小时。
5.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述纯氩气的纯度为99.99%以上，流量为20-80sccm，气体压强为0.3-0.8Pa。
6.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的溶液中六水合硝酸锌的质量分数为0.01-0.1% ;步骤(3)中所述的溶液中六亚甲基四胺的质量分数为0.01-0.1%。
7.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述在烘箱中进行第一步化学溶解反应时，控释95°C条件下6-12小时。
8.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述在烘箱中进行第二步化学溶解反应时，控制50°C条件下6-12小时。
9.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所述丙酮、乙醇以及去离子水超声的时间各为5-20分钟。
10.根据权利要求1所述一种对乙醇敏感的薄膜气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述对乙醇测试的温度为230-380°C，测试浓度为5-100 ppm。
【文档编号】B82Y40/00GK103675027SQ201310617084
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】张柯, 尹桂林, 何丹农 申请人:上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司