纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料及甲醛气体传感器的制造方法
【专利摘要】本发明揭示了一种纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料及应用该材料制备的甲醛气体传感器，其中该材料包括碳纳米管和氧化镍，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:0.1~1:30。本发明提供的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料通过其中碳纳米管和氧化镍的特殊配比，使其作为气敏材料应用于甲醛气体传感器中时，可以对于甲醛气体有很好的响应，并且，材料的成本相对较低，可以有利于甲醛气体传感器的产业化实施。
【专利说明】纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料及甲醛气体传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于电子器件制造【技术领域】，具体涉及一种纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料、以及应用该材料的甲醛气体传感器。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的提高及人们对家具环境装饰要求的转变，使得室内空气质量问题日益突出，家庭装修后室内的主要污染气体为甲醛及苯系物，最近由于甲醛超标造成的恶性病例更是时有报道。甲醛对人体的眼睛及呼吸道具有强烈的刺激性，常经数小时至十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合征，出现胸闷、呼吸窘迫、咳嗽等症状。因此，检测室内空气中的甲醛对保护人体健康及环境保护具有重大的意义。
[0003]碳纳米管是一种独特的纳米结构，由于具有许多独特的性能，如较高的热稳定性、优良的导电性和导热性等，因此，自1991年被发现以来，立即引起了各国科学家的广泛的注意。碳纳米管具有中空结构和较大的比表面积，对气体有很强的吸附能力，吸附的气体与碳纳米管相互作用而引起宏观的电阻变化，通过测量电阻变化可以迅速的检测气体浓度，因此极其适合制备新一代的气敏传感器。而且，基于场效应晶体管结构的碳纳米管气敏传感器可以测定在不同栅压下通过碳纳米管的电流与气体浓度变化关系，具有稳定性好、灵敏度高、功耗低和响应时间短等优点，成为气敏传感器研究的热点之一。氧化镍是一种重要的宽禁带半导体材料，由于其具有独特的物理和化学性能，因此被广泛应用在催化、气体传感、电容、电池等领域。
[0004]传统的甲醛检测方法大多费时较多，且仪器价格昂贵，不能实时在线检测，近几年，随着传感器技术的发展，利用氧化镍材料制备的甲醛气体传感器得到了广泛的应用，但是，为了提高对甲醛气体的检测敏感度，需要在其中添加一些贵金属(例如金)作为活性材料，从而导致了传感器制造成本的提高，不利于大规模的产业化实施。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提供一种纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，其可以被应用于甲醛气体传感器的制备，且成本较低。
[0006]本发明的目的还在于提供一种甲醛气体传感器。
[0007]为实现上述发明目的之一，本发明提供一种纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，包括碳纳米管和氧化镍，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:0.f 1:30。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:广1:20。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:1.7?1:18。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管表面带有对氧化镍具有吸附作用的羟基键。
[0011]为实现上述另一发明目的，本发明提供一种甲醛气体传感器，包括基底以及设置在所述基底上的信号感测电极和加热电极，所述信号感测电极包括两个导电电极，所述导电电极之间通过上述
【发明内容】
所提供的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料连接。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述基底具有表面，所述加热电极设置与所述表面上，所述信号感测电极与所述加热电极彼此绝缘，所述加热电极环绕所述信号感测电极设置。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述加热电极包括主加热部以及与所述主加热部连接的次加热部，所述主加热部相对所述次加热更加邻近所述信号感测电极，所述主加热部的电阻大于所述次加热部的电阻。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述加热电极呈方波、或锯齿波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述加热电极和所述导电电极由金属或合金薄膜制得，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一种，所述合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co 中的一种。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述信号感测电极为直线型或梳齿型。
[0017]与现有技术相比，本发明提供的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料通过其中碳纳米管和氧化镍的特殊配比，使其作为气敏材料应用于甲醛气体传感器中时，可以对于甲醛气体有很好的响应，并且，材料的成本相对较低，可以有利于甲醛气体传感器的产业化实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明甲醛气体传感器一实施方式的结构示意图；
图2是与图1具有相同加热电极布线形式，但加热电极各部分电阻均等的甲醛气体传感器的结构示意图；
图3和图4分别是图1和图2所示的甲醛气体传感器中的加热电极产生热场的软件模拟图；
图5至图7是本发明甲醛气体传感器的三个实施例的结构示意图；
图8至图10分别是图5至图7所示的甲醛气体传感器中的加热电极产生热场的软件模拟图；
图11是本发明甲醛气体传感器又一实施方式的结构示意图；
图12是本发明甲醛气体传感器又一实施方式的结构示意图；
图13是锯齿波状加热电极的形状示意图；
图14是三角波状加热电极的形状示意图；
图15和图16是正弦波状加热电极的形状示意图；
图17至图20是分别是本发明甲醛气体传感器的实施例1至实施例4中，对于不同浓度甲醛气体响应的测试示意图；
图21是利用氧化镍作为气敏材料制备甲醛气体传感器时，对于不同浓度甲醛气体响应的测试示意图；
图22是本发明纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料在电镜下的放大图。
【具体实施方式】[0019]以下将结合附图所示的【具体实施方式】对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
[0020]需要说明的是，在不同的实施方式/实施例中，可能会用到相同的标号或标记，但这并不代表结构上的相同或联系，而仅仅是为了描述的方便。
[0021]参图1，介绍本发明甲醛气体传感器100的【具体实施方式】，该甲醛气体传感器100包括基底10、信号感测电极30、以及加热电极20。
[0022]基底10具有表面11，该表面11被相对确定以进行后续的电路布局，加热电极20被制作于该表面11上，信号感测电极30位于加热电极20形成的热场中，并和加热电极20彼此绝缘。本实施方式中，加热电极20大致呈方波状。
[0023]这里所说的信号感测电极30位于加热电极20形成的热场中优选地具有两种布局形式。一种是，加热电极20和信号感测电极30均设置于表面11上，加热电极20和信号感测电极30彼此分离隔开以绝缘；另一种是，加热电极20和信号感测电极30之间设置绝缘介质层(图未示)以起到绝缘作用。绝缘介质层的材料可以选自氧化铝、二氧化硅、二氧化铪中的一种或几种，由于绝缘介质层的厚度相对于基底的厚度较薄，不会对加热电极20的加热效率提出过高的需求，并且，该绝缘介质层可以通过喷墨印刷的方式制得，喷墨印刷分辨率高，能精确到几微米，可以精确定位印刷设计好的图案，且工艺流程简单，操作方便，成本较低。
[0024]基底10可以是选自表面氧化的硅片、玻璃片、石英片、氧化铝陶瓷片、氮化铝陶瓷片、氧化锆陶瓷片、聚酰亚胺薄膜中的一种，基底10的厚度为lOOunTlOOOum。加热电极20的材质选自金、银、钼、铜、鹤、钼金合金、银IE合金、镍铬合金、钥猛合金、氮化钛、氧化钌中的一种。
[0025]信号感测电极30包括两个导电电极31、以及电性连接两个导电电极31的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料。导电电极31可以采用金属，例如Pt、Au、Ag、Cu、Al、N1、W中的一种制得，又或者是采用合金薄膜，例如Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的一种制得。一个甲醛气体传感器100中至少包括两个信号感测电极30，依据传感器种类的不同，可以设置有更多个的信号感测电极30。这里示出的信号感测电极为直线型，在一些其它的实施方式中，信号感测电极也可以采用梳齿型。
[0026]纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料包括碳纳米管和氧化镍，碳纳米管和氧化镍的质量比为1:0.f 1:30。并且，进一步的优选为碳纳米管和氧化镍的质量比为1:广1:20，乃至更进一步，碳纳米管和氧化镍的质量比为1:1.7?1:18。碳纳米管表面带有羟基键，以吸附氧化镍，并可更佳地对氧化镍产生保持作用。
[0027]参图22，所提供的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料中的微观碳纳米管之间为随机搭接，彼此之间存在较多的空隙，氧化镍不仅吸附于功能层的表面，在整个碳纳米管材料区域的上述空隙中，都会吸附有氧化镍，并形成片状结构，这样，待检测气体可以在碳纳米管搭接形成的空隙间流动，使得甲醛气体传感器的检测效果更佳。
[0028]具体的制作过程中，为了保证上述“空隙”的有效成型，首先在基底上打印一层碳纳米管，随后在碳纳米管区域沉积氢氧化镍，经过烧结，将沉积的氢氧化镍转化为氧化镍，保证碳纳米管之间搭接的随机性，以及氧化镍与碳纳米管之间的结合关系的稳定。[0029]在本实施方式中，加热电极20环绕信号感测电极30，加热电极20和信号感测电极30之间彼此不交错，环绕设置的加热电极20可以提供均匀的热场，以对信号感测电极30产生更好的加热效果。
[0030]加热电极20包括主加热部21以及与主加热部21连接的次加热部22，主加热部21邻近信号感测电极30而次加热部22相对远离信号感测电极30，主加热部21的电阻大于次加热部22的电阻。电阻值越大的加热电极部分在相同的电压下可以提供相对更高的加热效率，将更加远离信号感测电极30的次加热部22设置为具有相对较小的电阻可以降低此部分加热电极所损失的表面功耗；同时，主加热部21电阻值的相对增加，可以在不增加传感器整体功耗的同时，提升传感器对检测气体的响应速率。
[0031]优选地，在远离信号感测电极30的方向上，加热电极20的电阻逐渐减小，均匀的递减的电阻可以提供更优的热场，进一步降低传感器的表面功耗。
[0032]加热电极20电阻的改变可以是通过例如材质的变化等多种方式实现。本实施方式中，择优地，通过改变加热电极20的截面面积来实现其电阻值的改变，由于加热电极20在制作时被设计为具有相同的厚度，故，在本实施方式中，其主加热部21的宽度小于次加热部22的宽度，更优选地，在远离信号感测电极30的方向上，加热电极20的宽度逐渐增加。
[0033]在一些替换的实施例中，主加热部21和次加热部22也可以是分别具有一定的第一线宽和第二线宽；又或者，主加热部21和次加热部22的线宽是多级的，每级主加热部21或次加热部22的线宽一定，并在总体上呈现电阻逐渐变小的趋势。
[0034]主加热部21与信号感测电极30纵长方向上延长线的相交段211的电阻小于剩余部分212的电阻。相应地，主加热部21与信号感测电极30纵长方向上延长线的相交段211的线宽大于剩余部分212的线宽。
[0035]相对于具有固定线宽的加热电极，本发明提供的加热电极20可以在相同功耗的情况下，减少表面功耗损失，提升传感器的响应速率。
[0036]以下的对比说明用于更好的解释本发明，提供如图2的甲醛气体传感器中100’中，控制其加热电极20’的电阻与图1中加热电极20的电阻相等，所不同的是，图2中的加热电极20’具有定宽，也即加热电极20’各处的电阻相等。图1和图2所示的加热电极在相同的电压下产生的功耗相同。
[0037]图3?4分别是对图2和图1中加热电极产生热场的模拟图，从图中可以看出，图1中的信号感测电极处温度受热均匀，满足气敏材料加热的要求，经过调控后温度下降了20K,但是仍然在气敏材料的响应范围内。并且，经Comsol Multiphysics 4.3a计算后，图2中加热电极表面损失功耗是5.2024W，图1中加热电极表面损失功耗是5.08237W，本发明提供的甲醛气体传感器的功耗减小了 0.12003W，功耗降低。
[0038]参图5?7,为本发明甲醒气体传感器的三个实施例，采用Comsol Multiphysics4.3a 多场物理f禹合软件中的 Thermal Stress (ts), Electric Currents Shell (ecs),Shell (Shell)三个模块分别对图5?7中加热电极所产生的热场进行模拟。其中，具体材料特性如下:
【权利要求】
1.一种纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，其特征在于，包括碳纳米管和氧化镍，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:0.f 1:30。
2.根据权利要求1所述的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:广1:20。
3.根据权利要求2所述的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管和氧化镍的质量比为1:1.7?1:18。
4.根据权利要求3所述的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管表面带有对氧化镍具有吸附作用的羟基键。
5.一种甲醛气体传感器，包括基底以及设置在所述基底上的信号感测电极和加热电极，其特征在于，所述信号感测电极包括两个导电电极，所述导电电极之间通过如权利要求1至4之任意一项所述的纳米金属氧化物功能化碳纳米管材料连接。
6.根据权利要求5所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述基底具有表面，所述加热电极设置与所述表面上，所述信号感测电极与所述加热电极彼此绝缘，所述加热电极环绕所述信号感测电极设置。
7.根据权利要求6所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述加热电极包括主加热部以及与所述主加热部连接的次加热部，所述主加热部相对所述次加热更加邻近所述信号感测电极，所述主加热部的电阻大于所述次加热部的电阻。
8.根据权利要求6所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述加热电极呈方波、或锯齿波、或三角波、或正弦波、或蛇形。
9.根据权利要求5所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述加热电极和所述导电电极由金属或合金薄膜制得，所述金属选自Pt、Au、Ag、Cu、A1、N1、W中的一种,所述合金薄膜选自 Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co 中的一种。
10.根据权利要求5所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述信号感测电极为直线型或梳齿型。
【文档编号】G01N27/18GK103675038SQ201310681109
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】徐红艳, 张克栋, 崔铮 申请人:苏州纳格光电科技有限公司