专利名称：一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体纳米线音叉式气体浓度传感器及其制备方法，属于气体 浓度检测技术领域。
背景技术：
一维纳米材料如纳米管、纳米线、纳米带等由于比表面积大，使其对表面 吸附非常敏感。研究人员已经开始利用纳米线电学性质对气体吸附的敏感性制 备气体传感器，因为当外界环境因素改变时会引起表面、界面离子、电子运输 等情况的变化，显著影响其电阻。 一维纳米结构半导体金属氧化物，如氧化锌、 氧化锡、氧化铟纳米线对周围气体是相当灵敏的。由于它们在未来小型气体传 感器上潜在的应用，越来越受研究人员的广泛关注。但是此类传感器多数需要 高温条件，这就限制了其应用开发。近来我们发现纳米线的机械振荡性能对有 机气体的吸附非常敏感，而且这种快速可重复的响应可以在常温下实现。
石英音叉是一种大众化的产品常用于电子手表的定时装置。石英音义是双 叉头型的压电谐振器.双叉头结构为谐振器内部提供了良好的动态平衡，它的两
个叉齿的横向振动相差180。,因而分布在叉齿两端基部的动态力是大小相等方向 相反的一对力偶.这样,对耦合到与其相连结构的振动能量可以忽略不计,使品质 因数(Q)值极高。石英音叉具有结构简单、牢固可靠体积小、重量轻、成本低、 线性度好、灵敏度高、低功耗、易大量生产、 一致性好、直接数字输出、易与 计算机接口、适于遥控等特点，己被用到在力学传感，光声光谱学，加速器等方面
将半导体纳米线固定在音叉的两叉头上，此时音叉的共振频率与切断纳米 线时相比将会向高频位移几千赫兹，这可以由公式(1)
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其中A是音叉的弹性系数，w是音叉的质量，连接半导体纳米线使音叉A显著增 大，从而使共振频率增大。当音叉发生共振时，由于两叉头基部的振动力是大 小相等方向相反的，因此纳米线将随音叉高速振动，并且伴随微小的拉伸运动。 体系的共振频率与纳米线的机械振动行为密切相关，当将半导体纳米线置于有 机气氛中时，纳米线对气体吸附的响应表现为共振频率的位移。我们可以找到 气体浓度变化与共振频率的位移的曲线，此为该气体传感器的检测机理。
发明内容
本发明的目的是提供一种装配了半导体纳米线的音叉气体传感器平台。本 发明通过热蒸发合成了半导体纳米线，提出了一种新的气体传感的响应机制。 这种传感器有设备简单、稳定性好、可重复使用、灵敏、低能耗、低成本、体 积小便于携带等优点。
本发明的特征之一， 一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器是由一个去 帽后的石英音叉以及粘在所述石英音叉的两个叉头上单根刚直的Sn02纳米线所构成。
本发明的特征之二， 一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器的制备方法， 其特征在于依次含有以下步骤
(l)将商用的石英音叉去帽，用纯净水清洗音叉的叉头，用氮气吹干备用；(2) 在显微镜下将一根刚直的半导体纳米线固定在音叉的两叉头上，构成一 种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器；
(3) 将步骤(2)中所述的音叉式气体浓度传感器放入密闭干燥室内干燥24小 时。
本发明的优点及效果是
(1) 利用单根半导体纳米线对有机气体的高响应性，响应时间小于1分钟，
通过检测体系共振频率的变化测试气体浓度，实现了常温下、低能耗、气体的 快速测定，气体浓度可由浓度-频移曲线获得。
(2) 本发明中采用的单根半导体纳米线，可以是氧化锌、氧化锡、氧化铟
等半导体纳米线。
(3) 采用成本低的微装配音叉作为敏感元件，利于大规模制备生产，该传 感器设备简单、稳定性好、可重复使用、灵敏、低能耗、低成本、体积小便于 携带等优点，具有巨大应用潜力。
图1，是用单根Sn02纳米线修饰的石英音叉器件示意图； 图2(a)，石英音叉频率-振幅曲线随乙醇蒸汽浓度的变化其中通过改变注 入乙醇的体积OlL)来调节乙醇蒸汽浓度，下同；
图2(b)，乙醇蒸汽浓度对应石英音叉共振频率位移曲线其中y表示音叉共 振频率位移，x表示蒸汽浓度，R表示线性相关系数，下同；
图3 (a)，石英音叉频率-振幅曲线随二氯甲烷蒸汽浓度的变化；
图3(b)， 二氯甲烷蒸汽浓度对应石英音叉共振频率位移曲线。
图中，①是单根的Sn02纳米线，②是石英音叉的叉头，③是石英音叉的底座，与叉头连接，A和B分别代表石英音叉电信号输入和输出端。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明加以说明
实施例l: 一种半导体Sn02纳米线的制备方法
1) 将金胶体溶液旋涂到清洗干净的硅片上，胶体纳米颗粒的粒径大小控制 生成纳米线的直径大小，然后晾干；
2) 将锡粉放入矾土舟中，取合适大小的镀金硅片置于距小舟底部2/3高度;
3) 先以80毫升/分钟流速往石英管内通氮气30分钟，排除杂气，再调节氮 气流速到30毫升/分钟，待气流平稳，开启升温程序，纳米线生长温度 为850度，生长时间为1.2小时；
4) 石英管冷却至室温，Sn02纳米线在基片衬底上生成。 实施例2:微装配音叉气体传感器的制备方法
1) 将商用的石英音叉去帽，用纯净水清洗音叉的叉头，用氮气吹干备用。
2) 在显微镜下将一根长Sn02纳米线固定在音叉的两叉头上。
3) 经装配Sn02纳米线的音叉需放入密闭干燥其内干燥24小时。
4) 将音叉插入自制的插座内，即可进行气体检测。
权利要求
1.一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器，其特征在于，由一个去帽后的石英音叉以及粘在所述石英音叉的两个叉头上单根刚直的SnO2纳米线所构成。
2. 根据权利要求1所述的一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器，其特 征在于，所述半导体纳米线采用氧化锌纳米线或氧化铟纳米线。
3. 根据权利要求1所述的一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器，其特 征在于，所用的石英音叉是商用的。
4. 一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器的制备方法，其特征在于，依次 含有以下步骤(1) 将商用的石英音叉去帽，用纯净水清洗音叉的叉头，用氮气吹干备用；(2) 在显微镜下将一根刚直的半导体纳米线固定在音叉的两叉头上，构成一 种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器；(3) 将步骤(2)中所述的音叉式气体浓度传感器放入密闭干燥室内干燥24小 时。
5. 根据权利要求4所述音叉气体传感器的制备方法，其特征是选用的半导 体纳米线是氧化锌或氧化铟纳米线。
全文摘要
一种半导体纳米线音叉式气体浓度传感器及其制备方法，属于气体浓度检测技术领域，其特征在于，所述气体浓度传感器是由一个去帽后的石英音叉以及粘在所述石英音叉的两个叉头上的单根刚直的SnO<sub>2</sub>纳米线构成，在此提出了所述气体浓度传感器的制备方法。本发明具有设备简单、稳定性好、可重复使用、灵敏、低能耗、低成本、体积小便于携带等优点。
文档编号G01D5/02GK101561381SQ20091008377
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者冯红彬, 李景虹, 瑾 黄 申请人:清华大学