专利名称：室温醇类薄膜气体传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种气体传感器及其制备方法。
背景技术：
目前化学气体传感器使用半导体氧化物作为传感材料，这种传感器一般工作温度 在300 500度，需要消耗大量的能量，所以限制了其在便携领域的实际应用。目前在安全 生产领域和便携式个人传感器领域迫切需要低功耗，室温工作的低成本传感器。已经研究 的金属氧化物醇类敏感元件材料主要集中在掺杂的Sn02、In203、ZnSn03及SmFe03，并且检测 气体多以乙醇气体为主。文献报道kg和Sb掺杂的Sn02敏感元件在6V的加热电压下，对 50ppm的乙醇气体的灵敏度分别为5和48 ；SmFe03在工作温度为370度时，对50ppm乙醇气 体的灵敏度达到55左右；而复合氧化物传感器&02-Fe203和Sn02-Fe203，在200度工作时对 lOOOppm的乙醇气体的灵敏度达20以上；上述材料对醇类气体检测浓度都很高。Sb掺杂的 Sn02敏感元件在6V的加热电压下，对50ppm的乙醇气体的灵敏度为48，但响应和恢复时间 长，都在几分钟范围内；Sn02-Fe203敏感元件在200度工作时对lOOOppm的乙醇气体的灵敏 度达20以上，但对其他醇类气体的选择性较差；由于甲醇、乙醇与丙醇的性质极为相似，这 些材料对醇类气体的选择性响应很差，实际操作温度也较高，并且对醇类气体的最低检测 线很高，这给实际应用带来困难。
发明内容
本发明的发明目的是为了解决现有测量醇类气体的敏感元件存在的响应和恢复 时间长、气体选择性差、工作温度高，对醇类气体的最低检测限较高的问题，提供了一种室 温醇类薄膜气体传感器及其制备方法。本发明室温醇类薄膜气体传感器由金叉指玻璃基片和氧化物薄膜组成，构成氧化 物薄膜的氧化物通式是虬07，其中M为Cr、Ti、Zn、Fe、W或V，其中1彡x彡2，1彡y彡5， x、y为整数。室温醇类薄膜气体传感器的制备方法如下一、制备氧化物溶胶将M(N03)y溶 于去离子水中，得到浓度为0. 01mol/L的M(N03)y溶液，加入浓度为6mol/L的浓盐酸，得混 合液，混合液中M(N03)y与盐酸的浓度比为2 4 1，然后在110°C的加热套内回流、加热 混合液2 8小时，得到Mx0y氧化物溶胶，其中1彡x彡2，1彡y彡5，x、y为整数；二、将 金叉指玻璃基片以20 40毫米/分钟的速度浸入Mx0y氧化物溶胶中停留2 5分钟，再 以20 40毫米/分钟的速度提起，然后将金叉指玻璃基片烘干；三、按照步骤二的顺序反复操作十次；四、将经过步骤三处理的金叉指玻璃基片在500°C的马弗炉中烧结1小时，即 得室温醇类薄膜气体传感器。
本发明的室温醇类薄膜气体传感器响应和恢复时间短，本发明的室温醇类薄膜气 体传感器的样品粒度分布均勻，粒子呈椭球形，粒子直径在12 15nm范围内。室温醇类薄 膜气体传感器在室温下对低浓度醇类气体有很好的敏感性能。室温醇类薄膜气体传感器有 能力对环境中的低浓度丙醇气体进行选择性响应。特别是对2ppm低浓度的丙醇气体进行 检测，室温醇类薄膜气体传感器的灵敏度达到3. 1。本发明室温醇类薄膜气体传感器可以选 择性地对醇类气体进行响应，并且在室温下即可以检测浓度为2ppm的醇类气体。
图1是具体实施方式
十二中制备的室温醇类薄膜气体传感器的显微结构图；图2 是具体实施方式
十二中制备的室温醇类薄膜气体传感器对不同浓度乙醇气体的响应和恢 复特性曲线图；图3是具体实施方式
十、十一和十二制备的室温醇类薄膜气体传感器室温 下对乙醇气体的灵敏度曲线，-表示具体实施方式
十制备的室温醇类薄膜气体传感器 室温下对乙醇气体的灵敏度曲线，-▲-表示具体实施方式
十一制备的室温醇类薄膜气体 传感器室温下对乙醇气体的灵敏度曲线，-·_表示具体实施方式
十二制备的室温醇类薄 膜气体传感器室温下对乙醇气体的灵敏度曲线；图4是具体实施方式
十、十一和十二制备 的室温醇类薄膜气体传感器室温下对丙醇气体的灵敏度曲线，-表示具体实施方式
十 制备的室温醇类薄膜气体传感器室温下对丙醇气体的灵敏度曲线，-A-表示具体实施方 式十一制备的室温醇类薄膜气体传感器室温下对丙醇气体的灵敏度曲线，- -表示具体 实施方式十二制备的室温醇类薄膜气体传感器室温下对丙醇气体的灵敏度曲线。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的 任意组合。
具体实施方式
一本发明室温醇类薄膜气体传感器由金叉指玻璃基片和氧化 物薄膜组成，构成氧化物薄膜的氧化物通式是MxOy，其中M为Cr、Ti、Zn、Fe、W或V，其中 1彡χ彡2，1彡y彡5，x、y为整数。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是构成氧化物薄膜的氧化 物通式是Cr03。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是构成氧化物薄膜的氧化 物通式是Ti02。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是构成氧化物薄膜的氧化 物通式是ZnO。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是构成氧化物薄膜的氧化物通式是Fe203。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一不同的是构成氧化物薄膜的氧化 物通式是wo3。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一不同的是构成氧化物薄膜的氧化 物通式是％05。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八本实施方式中室温醇类薄膜气体传感器的制备方法如下一、 制备氧化物溶胶将M(NO3)y溶于去离子水中，得到浓度为0. 01mol/L的M(NO3)y溶液，加入 浓度为6mol/L的浓盐酸，得混合液，混合液中M(NO3)y与盐酸的浓度比为2 4 1，然后 在110°C的加热套内回流、加热混合液2 8小时，得到MxOy氧化物溶胶，其中1 < χ < 2， 1 < y < 5，χ、y为整数；二、将金叉指玻璃基片以20 40毫米/分钟的速度浸入MxOy氧 化物溶胶中停留2 5分钟，再以20 40毫米/分钟的速度提起，然后将金叉指玻璃基 片烘干；三、按照步骤二的顺序反复操作十次；四、将经过步骤三处理的金叉指玻璃基片在 500°C的马弗炉中烧结1小时，即得室温醇类薄膜气体传感器。本实施方式中所用的金叉指玻璃基片由哈尔滨敏感技术研究所生产。
具体实施方式
九本实施方式中室温醇类薄膜气体传感器的制备方法如下一、 制备氧化物溶胶将M(NO3)y溶于去离子水中，得到浓度为0. 01mol/L的M(NO3)y溶液，力口 入浓度为6mol/L的浓盐酸，得混合液，混合液中M(NO3)y与盐酸的浓度比为2 1，然后在 110°C的加热套内回流、加热混合液4小时，得到MxOy氧化物溶胶，其中1彡χ彡2，1彡y彡5， 其中x、y为整数；二、将金叉指玻璃基片以30毫米/分钟的速度浸入MxOy氧化物溶胶中停 留3分钟，再以30毫米/分钟的速度提起，然后将金叉指玻璃基片在80°C的烘箱中烘干；
三、按照步骤二的顺序反复操作十次；四、将经过步骤三处理的金叉指玻璃基片在500°C的 马弗炉中烧结1小时，即得室温醇类薄膜气体传感器。
具体实施方式
十本实施方式中室温醇类薄膜气体传感器的制备方法如下一、 制备氧化物溶胶将ZnNO3溶于去离子水中，得到浓度为0. 01mol/L的ZnNO3溶液，加入浓度 为6mol/L的浓盐酸，得混合液，混合液中ZnNO3与盐酸的浓度比为2 1，然后在110°C的 加热套内回流、加热混合液4小时，得到ZnO氧化物溶胶；二、将金叉指玻璃基片以30毫米 /分钟的速度浸入ZnO氧化物溶胶中停留3分钟，再以30毫米/分钟的速度提起，然后将金 叉指玻璃基片在80°C的烘箱中烘干；三、按照步骤二的顺序反复操作十次；四、将经过步骤 三处理的金叉指玻璃基片在500°C的马弗炉中烧结1小时，即得ZnO室温醇类薄膜气体传感
ο具体实施方式
十一本实施方式中室温醇类薄膜气体传感器的制备方法如下 一、制备氧化物溶胶将Ti (NO3) 2溶于去离子水中，得到浓度为0. Olmol/L的Ti (NO3) 2溶液， 加入浓度为6mol/L的浓盐酸，得混合液，混合液中Ti (NO3)2与盐酸的浓度比为2 1，然后 在110°C的加热套内回流、加热混合液4小时，得到TiO2氧化物溶胶；二、将金叉指玻璃基 片以30毫米/分钟的速度浸入TiO2氧化物溶胶中停留3分钟，再以30毫米/分钟的速度 提起，然后将金叉指玻璃基片在80°C的烘箱中烘干；三、按照步骤二的顺序反复操作十次；
四、将经过步骤三处理的金叉指玻璃基片在500°C的马弗炉中烧结1小时，即得TiO2室温醇 类薄膜气体传感器。
具体实施方式
十二 本实施方式中室温醇类薄膜气体传感器的制备方法如下一、制备氧化物溶胶将Fe (NO3) 3溶于去离子水中，得到浓度为0. 01mol/L的Fe (NO3) 3溶液，加入浓度为6mol/L的浓盐酸，得混合液，混合液中Fe (NO3)3与盐酸的浓度比为2 1，然后 在110°C的加热套内回流、加热混合液4小时，得到Fe2O3氧化物溶胶；二、将金叉指玻璃基 片以30毫米/分钟的速度浸入Fe2O3氧化物溶胶中停留3分钟，再以30毫米/分钟的速度 提起，然后将金叉指玻璃基片在80°C的烘箱中烘干；三、按照步骤二的顺序反复操作十次； 四、将经过步骤三处理的金叉指玻璃基片在500°C的马弗炉中烧结1小时，即得Fe2O3室温 醇类薄膜气体传感器。由图1看出本实施方式所得室温醇类薄膜气体传感器的样品粒度分布均勻，粒子 呈椭球形，粒子直径在12 15nm范围内。图2中的曲线为本实施方式所得室温醇类薄膜气体传感器室温下在测试30ppm的 乙醇气体时，其灵敏度的响应和恢复特征曲线。室温醇类薄膜气体传感器灵敏度的计算公 式定义为室温醇类薄膜气体传感器在测试气氛中电阻值与在空气中电阻值的比值，响应时 间和恢复时间定义为达到阻值变化最大值90%所需要的时间。从图2可以看出本实施方式 所得室温醇类薄膜气体传感器对乙醇气体的灵敏度为11. 2，室温醇类薄膜气体传感器的响 应时间和恢复时间分别为20s和48s，响应时间短于相应的恢复时间。此曲线图说明本实 施方式所得室温醇类薄膜气体传感器在置于醇类气体中进行响应之后，重新回到空气环境 时，能迅速恢复期正常数值，表现出很好的稳定性。由图3中可以看出当乙醇气体浓度为IOppm时，Fe2O3室温醇类薄膜气体传感器、 ZnO室温醇类薄膜气体传感器和TiO2室温醇类薄膜气体传感器的灵敏度分别为5. 1、2. 7和 1. 9。并且在相同的测试浓度下Fe2O3室温醇类薄膜气体传感器的灵敏度要明显高于其他室 温醇类薄膜气体传感器。说明室温醇类薄膜气体传感器在室温下对低浓度醇类气体有很好 的敏感性能。由图4中可以看出在浓度达到5ppm时Fe2O3室温醇类薄膜气体传感器的灵敏度与 其他敏感元件的灵敏度差值达5. 8，说明室温醇类薄膜气体传感器有能力对环境中的低浓 度丙醇气体进行选择性响应。特别是对2ppm低浓度的丙醇气体进行检测，Fe2O3室温醇类薄 膜气体传感器的灵敏度达到3. 1，说明该材料是一种理想的检测低浓度醇类气体敏感材料， 并且在相同的测试浓度下Fe2O3室温醇类薄膜气体传感器的灵敏度要明显高于其他敏感元 件。由此可见室温醇类薄膜气体传感器可以选择性地对醇类气体进行响应，并且在室 温下即可以检测浓度为2ppm的醇类气体。因此它很适合作为敏感元件，对实际工作和生活 环境中的醇类气体浓度进行监测。
权利要求
室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于室温醇类薄膜气体传感器由金叉指玻璃基片和氧化物薄膜组成，构成氧化物薄膜的氧化物通式是MxOy，其中M为Cr、Ti、Zn、Fe、W或V，其中1≤x≤2，1≤y≤5，x、y为整数。
2.根据权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于构成氧化物薄膜的氧 化物通式是Cr03。
3.根据权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于构成氧化物薄膜的氧 化物通式是Ti02。
4.根据权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于构成氧化物薄膜的氧 化物通式是ZnO。
5.根据权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于构成氧化物薄膜的氧 化物通式是Fe203。
6.根据权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于构成氧化物薄膜的氧 化物通式是W03。
7.根据权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器，其特征在于构成氧化物薄膜的氧 化物通式是V205。
8.权利要求1所述的室温醇类薄膜气体传感器的制备方法，其特征在于室温醇类薄膜 气体传感器的制备方法如下一、制备氧化物溶胶将M(N03)y溶于去离子水中，得到浓度为 0. 01mol/L的M(N03)y溶液，加入浓度为6mol/L的浓盐酸，得混合液，混合液中M(N03)y与盐 酸的浓度比为2 4 1，然后在110°C的加热套内回流、加热混合液2 8小时，得到Mx0y 氧化物溶胶，其中1 < x < 2，1 < y < 5，x、y为整数；二、将金叉指玻璃基片以20 40毫 米/分钟的速度浸入Mx0y氧化物溶胶中停留2 5分钟，再以20 40毫米/分钟的速度 提起，然后将金叉指玻璃基片烘干；三、按照步骤二的顺序反复操作十次；四、将经过步骤 三处理的金叉指玻璃基片在500°C的马弗炉中烧结1小时，即得室温醇类薄膜气体传感器。
全文摘要
室温醇类薄膜气体传感器及其制备方法，它涉及一种气体传感器及其制备方法。本发明解决了现有测量醇类气体的敏感元件存在的响应和恢复时间长、气体选择性差、工作温度高，对醇类气体的最低检测限较高的问题。本发明室温醇类薄膜气体传感器由金叉指玻璃基片和氧化物薄膜组成，制备方法如下一、制备氧化物溶胶；二、处理金叉指玻璃基片；三、按照步骤二的顺序反复操作十次；四、将经过步骤三处理的金叉指玻璃基片烧结，即得室温醇类薄膜气体传感器。本发明的室温醇类薄膜气体传感器响应和恢复时间短，本发明室温醇类薄膜气体传感器可以选择性地对醇类气体进行响应，并且在室温下即可以检测浓度为2ppm的醇类气体。
文档编号G01N27/407GK101799446SQ20101014872
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者孙丽萍, 李强, 程晓丽, 霍丽华, 高山 申请人:黑龙江大学