专利名称：具有纳米纤维敏感层的平面式乙炔气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器，气敏材料为掺杂ニ氧化锡纳米纤维，对于こ炔气体具有高选择性，属于气体传感器技术领域。
背景技术：
乙炔(C2H2)是ー种易燃易爆气体，它的爆炸下限为I. 5%。尤其在电カエ业领域，油浸式电カ变压器内的绝缘油会逐渐老化和分解产生各种低分子烃类、CO、CO2等气体，使变压器出现局部过热、局部放电和电弧放电等故障。各种低分子烃类中，こ炔是放电型故障和高温过热型故障的特征气体，因此，有必要ー线全天候监测こ炔浓度。然而，现有こ炔检测方法如气相色谱法和电协研法不能适应这种需要。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的器件。其中，在以硅片为衬底采用半导体エ艺制作的微型平面式气体传感器还具有制作エ艺简单、批量生产、成本低廉等优点，能够满足易燃易爆、有毒有害气体的ー线全天候多点检测。所述以硅片为衬底制作的平面式气体传感器其结构为，硅片衬底两侧具有绝缘层，在ー侧绝缘层上分布加热电极，在另ー侧绝缘层上分布信号电极，气敏层覆于信号电极上。由气敏层探測被检气体，由信号电极输出检测結果。采用静电纺丝法获得的纳米纤维长径比大、比表面积高，且能够自然地形成网状结构，采用纳米纤维气敏材料制作的气体传感器灵敏度高、响应恢复快，用来检测こ醇、甲苯、丙酮、氢气之类的气体。但是，在现有技术中尚未出现采用纳米纤维气敏材料的こ炔气体传感器。
发明内容
本发明的目的在于，获得ー种こ炔气体传感器，该传感器能够采用半导体エ艺制作，价格低，但灵敏度高、响应恢复快，从而能够适用于ー线全天候多点こ炔气体探測，为此我们发明了 ー种具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器。本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器在硅衬底两侧绝缘层上分别布有加热电极和信号电极，其特征在于，こ炔气体敏感层位于信号电极上，こ炔气体敏感层形态为SnO2纳米纤维网，气敏材料为同时掺In、Sm、Co的SnO2, In、Sm、Co的掺入量分别为ln203、Sm2O3^Co3O4, SnO2四种氧化物总质量的5 7%、43 45%、I 2%。下面通过本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器的制作过程进ー步说明本发明。I、在双面抛光的〈100〉晶向硅衬底上通过热氧化法生长出SiO2下绝缘层和上绝
缘层；2、在下绝缘层上依次通过磁控溅射、光刻、腐蚀各项エ艺制作出ー组Pt加热电扱，随后进行高温退火； 3、在上绝缘层上依次通过磁控溅射、光刻、腐蚀各项エ艺制作出ー组Pt信号电扱，该组中每个信号电极都与ー个加热电极上下对应，随后进行高温退火；4、将三氯化铟、氯化钐、硝酸钴、氯化亚锡、ニ甲基甲酰胺(DMF)、聚こ烯吡咯烷酮(PVP)以及酒精混合成气敏材料纺丝液，采用静电纺丝法在信号电极上制作前驱物层；5、经烧结使得前驱物层转化为こ炔气体敏感层，该こ炔气体敏感层呈纳米纤维网形态；6、切割硅衬底，尺寸在IXlmm2至10 X IOmm2之间；7、采用Pt丝或者Au丝作为加热电极引线和信号电极引线，加热电极引线将加热电极引致外接供电电路，信号电极引线将信号电极引致測量电路，完成本发明之传感器的制作。可见，本发明之传感器属于ー种采用半导体エ艺制作的微型平面式气体传感器，从而使得本发明之传感器能够批量生产，价格低。掺In、Sm、Co的SnO2气敏材料对于こ炔的灵敏度远高于其他常见易燃易爆、有毒有害气体，再加上こ炔气体敏感层纳米纤维网的形态，使得本发明之传感器具有选择性强、灵敏度高和响应恢复快的特点，从而能够适用于ー线全天候多点こ炔气体探測。
图I是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器结构示意图，该图兼作为摘要附图。图2是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器加热电极图形。图3是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器信号电极图形。图4是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器制作流程图。图5是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器在こ炔气体浓度为IOOppm的条件下加热电流与灵敏度关系图。图6是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器在こ炔气体浓度为lOOppm、加热电流为80mA条件下的响应恢复曲线。图7是本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器在80mA加热电流条件下其对こ炔气体的灵敏度与こ炔气体浓度的关系曲线。图8本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器在80mA加热电流条件下对浓度均为IOOppm的不同气体的灵敏度。
具体实施例方式本发明之具有纳米纤维敏感层的平面式こ炔气体传感器在硅衬底3两侧绝缘层即下绝缘层2和上绝缘层4上分別布有加热电极I和信号电极5，见图I所示。こ炔气体敏感层9位于信号电极5上，こ炔气体敏感层9形态为SnO2纳米纤维网，SnO2纳米纤维平均直径50 200nm,长度I IOmm ;气敏材料为同时掺In、Sm、Co的SnO2, In、Sm、Co的掺入量分别为In203、Sm203、Co304、Sn02四种氧化物总质量的5 7%、43 45%、I 2%。硅衬底3为〈100〉晶向双面抛光硅片，厚度为0. 2 3mm。下绝缘层2和上绝缘层4为SiO2层，厚度为50 200nm。加热电极4和信号电极5为Pt膜图形电极，厚度为50 200nm ;加热电极4为蛇形，见图2所示，Pt膜宽度5 ii m至0. 5mm，电阻I 100 Q ;信号电极5为叉指形，见图3所示，Pt膜宽度为5 ii m至0. 5mm,单个叉指的长度为0. 5 20mm。传感器尺寸在I X Imm2至IOX IOmm2之间。采用Pt丝或者Au丝作为加热电极引线10和信号电极引线11，加热电极引线10将加热电极I引致外接供电电路，信号电极引线11将信号电极5引致、測量电路。下面通过更为详尽的制作过程进一步说明本发明之传感器，见图4所示。
I、在市售4英寸双面抛光〈100〉晶向0. 4mm厚的硅衬底3上，通过热氧化法在1000°C下，分别在硅衬底3的两面氧化出IOOnm厚的SiO2下绝缘层2和上绝缘层4 ；2、以Pt靶为溅射源，设备功率120W，Ar气环境，气压IPa，衬底温度300°C，以磁控溅射方式溅射2h，在下绝缘层2上得到厚度为IOOnm的Pt层加热电极层；3、将GP18光刻胶涂在加热电极层上，甩胶转速2400转/分，60°C下前烘30min，采用蛇形掩膜板，紫外曝光15s，随后经过显影并在150°C下烘烤lh，使得未曝光的光刻胶在下绝缘层上2形成蛇形电极图形；4、采用等离子体刻蚀エ艺在5PaAr气氛、设备功率90W、常温エ艺条件下刻蚀30min,去掉未受到光刻胶掩盖的Pt层；然后放入丙酮溶液中浸泡20min，去掉残余光刻胶，得到加热电极I，制作的蛇形加热电极3Pt膜宽度0. 25mm、长度100mm，电阻值54 Q ；5、在600°C下退火处理10h，其间通以N2作为保护气体，使加热电极I与硅衬底3二者固化；6、以Pt靶为溅射源，设备功率120W，Ar气环境，气压IPa，衬底温度300°C，以磁控溅射方式溅射2h，在上绝缘层4表面得到厚度为IOOnm的Pt层信号电极层；7、将GP18光刻胶涂在信号电极层上，甩胶转速2400转/分，60°C下前烘30min，采用叉指形掩膜板，紫外曝光15s，随后经过显影并在150°C下烘烤lh，使得未曝光的光刻胶在上绝缘层4上形成叉指形电极图形；8、采用等离子体刻蚀エ艺在5PaAr气氛、设备功率90W、常温エ艺条件下刻蚀30min,去掉未受到光刻胶掩盖的Pt层；然后放入丙酮溶液中浸泡20min，去掉残余光刻胶，得到信号电极5,姆个信号电极5都与ー个加热电极I对应，制作的叉指形信号电极5共有6对叉指，Pt膜宽度0. 25mm,单个叉指的长度为8mm ；9、在600°C下退火处理10h，其间通以N2作为保护气体，使信号电极5与硅衬底3二者固化；10、采用静电纺丝法在信号电极5上制作こ炔气体敏感层9。将0. 4g氯化亚錫、
0.Ig三氯化铟、0. 6g氯化钐、0. 04g硝酸钴、4. 42g ニ甲基甲酰胺(DMF)和4. 42g酒精混合，并磁力搅拌6h，然后加入0. Sg的聚こ烯吡咯烷酮(PVP)再次磁力搅拌6h，获得纺丝液，将所得纺丝液导入静电纺丝设备6中，施加IOkV的电压，使得纤维前驱物7在信号电极5上形成前驱物层8。11、在600°C下烧结4h，使得前驱物层8转化为こ炔气体敏感层9，其形态为纳米纤维网，纳米纤维平均直径lOOnm、长度4mm ;こ炔气体敏感层9中的气敏材料为同时掺In、Sm、Co 的 SnO2, In、Sm、Co 取代部分 SnO2 中的 Sn 后以 ln203、Sm2O3> Co3O4 形式存在，In、Sm、Co的掺入量分别为In2O3> Sm203、Co3O4, SnO2四种氧化物总质量的5 7%,43 45%、I 2%，得到整片传感器。12、将整片传感器切割成2X4mm2的单片传感器。13、加热电极引线10和信号电极引线11均为Pt丝，采用金浆焊接剂分别将加热电极引线10和信号电极引线11接到智能气敏分析系统中电源和測量电路。由智能气敏分析系统得到的测量结果见图5 8所示。图中的灵敏度定义为传感器在空气中与在被检气体中电阻值之比。本发明之传感器具有较高的灵敏度，在こ炔气体浓度为lOOppm、加热电流为80mA的条件下，灵敏度达到33，见图5所示。同样在こ炔气体浓度为lOOppm、加热电流为80mA的条件下，当传感器置于こ炔气体中时，传感器信号在8s左 右达到平衡，当传感器重新置于空气中时，传感器信号在12s左右恢复为初始值，也就是说传感器的响应时间和恢复时间分别只有8s和12s，见图6所示。在加热电流为80mA条件下，本发明之传感器的灵敏度随着こ炔气体浓度的增加而曾高，在こ炔气体浓度为IOOOOppm时达到饱和，见图7所示。在80mA加热电流条件下对浓度均为IOOppm的不同气体,本发明之传感器对于こ炔气体的灵敏度最高，达到33，对其它气体的灵敏度则很小，如对于氢气为4，对于こ醇、丙酮为3，对于其它气体灵敏度非常低，见图8所示，说明本发明之传感器对于こ炔气体具有很高的选择性。在图8中，0号至7号气体依次为こ炔、氢气、こ醇、丙酮、丁 烷、一氧化碳、甲烷及甲苯。
权利要求
1.一种具有纳米纤维敏感层的平面式乙炔气体传感器，在硅衬底两侧绝缘层上分别布有加热电极和信号电极，其特征在于，乙炔气体敏感层位于信号电极上，乙炔气体敏感层形态为SnO2纳米纤维网，气敏材料为同时掺In、Sm、Co的SnO2, In、Sm、Co的掺入量分别为In2O3'Sm2O3'Co3O4'SnO2四种氧化物总质量的5 7%、43 45%、I 2%。
2.根据权利要求I所述的具有纳米纤维敏感 层的平面式乙炔气体传感器，其特征在于，SnO2纳米纤维平均直径50 200nm,长度I 10mm。
3.根据权利要求I所述的具有纳米纤维敏感层的平面式乙炔气体传感器，其特征在于，所述乙炔气体传感器尺寸在IX Imm2至IOX IOmm2之间。
全文摘要
一种具有纳米纤维敏感层的平面式乙炔气体传感器，气敏材料为掺杂二氧化锡纳米纤维，对于乙炔气体具有高选择性，属于气体传感器技术领域。在现有技术中尚无采用纳米纤维气敏材料的乙炔气体传感器。本发明之乙炔气体传感器在硅衬底两侧绝缘层上分别布有加热电极和信号电极，乙炔气体敏感层位于信号电极上，乙炔气体敏感层形态为SnO2纳米纤维网，气敏材料为同时掺In、Sm、Co的SnO2，In、Sm、Co的掺入量分别为In2O3、Sm2O3、Co3O4、SnO2四种氧化物总质量的5～7％、43～45％、1～2％。该具有纳米纤维敏感层的平面式乙炔气体传感器能够实现一线全天候多点乙炔气体探测。
文档编号G01N27/12GK102645454SQ20121009103
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者侯建华, 梁庆成, 秦杰明, 蒋大勇, 赵建勋, 高尚 申请人:长春理工大学