基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器。该乙醇传感器包括形成叉指电极的两组电极，以及设置在叉指电极至少一侧表面的氧化锌纳米膜；所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；所述叉指电极的两组电极不导通，形成所述乙醇传感器的信号输出端。本实用新型乙醇传感器可以感受因乙醇吸收在氧化锌表面所造成的电阻下降，乙醇传感器的响应度与环境里增加的乙醇气体浓度呈近似线性变化。
【专利说明】基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及传感器领域，尤其是涉及一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器。
【背景技术】
[0002]2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是:当纳米线(NWs，例如氧化锌纳米线)在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。
[0003]氧化锌纳米线作为半导体材料，可以应用于乙醇传感器。然后现有乙醇传感器由于氧化锌纳米线的制备方法，具有灵敏度低、响应时间长、制备工艺复杂等缺陷。
[0004]常规生长氧化锌纳米线的方法为化学生长方法，例如水热法，使氧化锌纳米线在带有种子层的金属层基底表面生长。以往，在氧化锌纳米线生长过程中，培养液中产生的气泡上升到溶液表面且时常被面朝下的基底表面捕获，抑制了氧化锌纳米线在金属层基底表面上均匀生长。
实用新型内容
[0005]常规生长纳米线的方法，例如水热法，氧化锌纳米线在金属层基底表面生长取向度较差，比表面积不高。本实用新型解决的技术问题是提供一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，增加了氧化锌纳米结构的比表面积，具有灵敏度高，响应时间短的特点。
[0006]本实用新型乙醇传感器可以感受因乙醇吸收在氧化锌表面所造成的电阻下降，乙醇传感器的响应度与环境里增加的乙醇气体浓度呈近似线性变化。
[0007]本实用新型采用静电纺丝法-煅烧在叉指电极上生成氧化锌纳米膜，该氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成。或者，优选的进一步以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，该氧化锌纳米柱是在(002)面优势取向的六角柱。由于合成的氧化锌纳米柱(六角柱)的宽高比较高，可以增加氧化锌纳米柱阵列单位体积里的比表面积。
[0008]由于氧化锌纳米膜跨越在叉指电极之上，而叉指电极的两对电极之间不导通，因此当氧化锌纳米线表面吸附乙醇时，则氧化锌表面多数载流子(电子)浓度增加，电阻减小。产生的电阻变化可以通过外部电路测量。本实用新型乙醇传感器,灵敏度高、响应时间快，制备工艺简单。
[0009]为了解决上述技术问题，本实用新型采用的第一技术方案是:一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，包括形成叉指电极的两组电极，以及设置在叉指电极至少一侧表面的氧化锌纳米膜；
[0010]所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；
[0011]所述叉指电极的两组电极不导通，形成所述乙醇传感器的信号输出端。[0012]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜是由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成的氧化锌纳米膜。
[0013]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米线是其中掺杂有二氧化锡的氧化锌纳米线膜。
[0014]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜是由煅烧静电纺丝获得的聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜制成的氧化锌纳米膜。
[0015]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜是由煅烧静电纺丝获得的聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜制成的氧化锌纳米膜。
[0016]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述锌盐是醋酸锌、硝酸锌、草酸锌或它们的水合物；所述聚乙烯类聚合物是聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP ;所述锡盐是氯化锡、醋酸锡、硝酸锡或草酸锡。
[0017]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米线的直径为200_300nmo
[0018]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜的厚度为500nm_lμ m。
[0019]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，以每根构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线为轴进一步生长有氧化锌纳米柱，构成氧化锌纳米柱阵列，形成带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米柱是(002)面优势取向的六角柱。
[0020]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述六角柱横截面最大长度为200-300nm,六角柱高度为2-3 μ m。
[0021]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器,所述带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜的厚度为5-8 μ m。
[0022]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，每立方微米氧化锌纳米膜平均由2-3根氧化锌纳米线构成，氧化锌纳米柱彼此交缠。
[0023]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述叉指电极是由在基板上沉积或涂布金、铟锡金属氧化物、银、铜或铝形成的叉指电极。
[0024]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述基板是硅、玻璃或有机玻璃。
[0025]本实用新型基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，由于氧化锌纳米膜跨越在叉指电极之上，而叉指电极的两组电极之间不导通，因此当氧化锌纳米线表面吸附乙醇时，则氧化锌表面多数载流子(电子)浓度增加，电阻减小。本实用新型乙醇传感器灵敏度高、响应时间快，制备工艺简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是叉指电极示意图。
[0027]图2是静电纺丝经煅烧后由氧化锌纳米线构成的氧化锌纳米膜XRD谱图，其中氧化锌沉积在镀金的硅芯片上。
[0028]图3是本实用新型第二【具体实施方式】所用叉指电极的载体示意图。
[0029]图4是本实用新型第二【具体实施方式】所用叉指电极的载体剖面示意图。
[0030]图5是在本实用新型第二【具体实施方式】所用叉指电极的载体上进行静电纺丝的过程。
[0031]图6是在本实用新型第二【具体实施方式】所用叉指电极的载体上完成静电纺丝后的状态。
[0032]图7是从本实用新型第二【具体实施方式】所用叉指电极的载体上取下叉指电极的过程。
[0033]图8是实施例4乙醇传感器的响应度与环境里增加的乙醇气体浓度近似线性变化关系图。
【具体实施方式】
[0034]为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本实用新型做详细说明。
[0035]下面详细说明一下本实用新型的第一【具体实施方式】。
[0036]一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，包括形成叉指电极的两组电极，以及设置在叉指电极至少一侧表面的氧化锌纳米膜；氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成。
[0037]图1所示是叉指电极的结构示意图。两组电极形成叉指形状且这两组电极之间不导通，形成所述乙醇传感器的信号输出端。本实用新型叉指电极采用常规方法制成。具体的，在基板上沉积或涂布电极材料形成叉指电极形状的两组电极。本实用新型叉指电极厚度约为 50nm-100nm。
[0038]本实用新型对叉指电极所用基板没有特殊规定，常规的基板材料均可应用于本实用新型，例如硅、玻璃或有机玻璃。本实用新型对电极材料也没有特殊规定，例如金、铟锡金属氧化物(ITO)、银、铜或铝均可应用于本实用新型。本实用新型采用的涂布或沉积方法也是现有常规的，例如磁控溅射、电子束或热蒸镀、丝网印刷、或旋转涂布。
[0039]氧化锌纳米膜由煅烧静电纺丝聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜制成，直径为200-300nm，厚度为500nm_l μ m。优选的，氧化锌纳米线中掺杂有二氧化锡，氧化锌纳米膜由煅烧聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜制成。图2所示是该实施方式由氧化锌纳米线构成的氧化锌纳米膜XRD谱图。由图2可以看出ZnO是六边纤锌矿晶相，最强的峰为002面。下面详细说明一下氧化锌纳米膜的制备方法。该方法包括以下步骤:
[0040](I)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液
[0041]将聚乙烯类聚合物加入到溶剂中，待聚乙烯类聚合物溶解后，向液体中加入锌盐，然后混合均匀得到静电纺丝液。该静电纺丝液的黏度与浓度乘积控制在5-12。其中，聚乙烯类聚合物与锌盐的重量比为1-5:0.5-3。例如，每IOml溶剂中加入l_5g聚乙烯类聚合物，然后向混合溶液中加入锌盐，每IOml的混合溶液加入0.5-3g锌盐。
[0042]所述锌盐可以是醋酸锌、硝酸锌、草酸锌及它们的水合物。所述溶剂可以是甲基甲酰胺(DMF)，乙醇(ethanol)或四氢呋喃(THF)。所述聚乙烯类聚合物可以是聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
[0043]优选的，在该步骤中，在静电纺丝液中掺杂氧化物或金属以增进氧化锌在特定方面的性能，氧化物可以是Al2O3或SnO2，金属可以是Ag、Au、Pt或Cu。例如添加锡盐(氯化锡、醋酸锡、硝酸锡或草酸锡)，增加响应灵敏度，添加比例为静电纺丝液重量的1_10%。[0044](2)静电纺丝
[0045]将步骤(I)所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置中，然后将静电纺丝液注射到形成叉指电极的两组电极的至少一侧表面上进行静电纺丝，在叉指电极的至少一侧表面上获得聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜。
[0046]本实用新型所用静电纺丝装置为常规市售静电纺丝装置。具体的，将步骤(I)所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置的给液装置例如注射针管中，针头为金属如不锈钢，将针头接高压源，接收端接地。然后在电压为10kV-20kV，接收距离为8cm-20cm条件下，用微量泵以推动速度0.lml/hr-lml/hr，将静电纺丝液通过喷射装置注射到叉指电极的至少一侧表面上进行静电纺丝，在叉指电极的至少一侧表面上获得聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜。当在静电纺丝液中添加锡盐时，在叉指电极的至少一侧表面上获得聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜。锡盐可以是氯化锡、醋酸锡、硝酸锡或草酸锡。
[0047](3)煅烧
[0048]将步骤(2)所得聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜膜连同叉指电极一起进行煅烧，煅烧条件为:按照2-10°C-min的升温速率升温至500-600°C，恒温煅烧1-6小时；然后冷却到室温，得到氧化锌纳米膜。当在静电纺丝液中添加锡盐时，所述氧化锌纳米线中掺杂有二氧化锡。
[0049]所得氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成，该氧化锌纳米线的直径为200nm-300nm。所得氧化锌纳米膜的厚度是500nm_l μ m。
[0050]由于氧化锌纳米膜跨越在叉指电极之上，而叉指电极的两对电极之间不导通，氧化锌纳米膜感应乙醇所输出的电流从叉指电极的两对电极向外输出。
[0051]本实用新型为了得到由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成的氧化锌纳米膜，采用了第二【具体实施方式】。下面详细说明第二【具体实施方式】。
[0052]一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，包括形成叉指电极的两组电极，以及设置在叉指电极至少一侧表面的氧化锌纳米膜；氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成。
[0053]该实施方式具有与上述第一实施方式不同的静电纺丝步骤，还包括得到纤维纺丝有序排列的聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜(或聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜)。得到有序排列的聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜(或聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜)包括但不局限于下列方法，例如:在静电纺丝之前，将叉指电极6放置在载体(如图3和图4所示)的容置腔中。该载体包括第一载体底材1，设置在第一载体底材一侧表面的第二载体底材2和第三载体底材3，第二载体底材2和第三载体底材3平行并间隔设置。在第二载体底材2上设有第一金属条4，第一金属条4沿第二载体底材2的与第三载体底材平行的边设置。在第三载体底材3上设有第二金属条5，第二金属条5沿第三载体底材3的与第二载体底材2平行的边设置。第二载体底材2和第一金属条4,与第三载体底材3和第二金属条5之间形成容置腔。
[0054]图5是该实施方式进行静电纺丝的过程，经由静电纺丝设备7将静电纺丝液喷射到叉指电极6上，形成氧化锌纳米线8。图6是该实施方式完成静电纺丝后的状态。图7是该实施方式从载体上取下叉指电极的过程。由图5-图7可以看出氧化锌纳米膜由氧化锌纳米线平行构成。该实施方式中，每立方微米氧化锌纳米膜平均由2-3根氧化锌纳米线构成，氧化锌纳米柱彼此交缠。例如，氧化锌纳米膜的总表面积是4.15 μ m2，每立方微米氧化锌纳米膜里平均有2.56根氧化锌纳米线。
[0055]在静电纺丝时，射出头接正电，而载体上的金属条接地，因而在其之间产生一电场。而静电纺丝的本身可以视为带正电的纤维，在电场下受力沉积在接地的载体上。当纺丝移动到金属条的附近时，由于两者的电性相反，在库伦力的作用下，纺丝在金属条上的两端受最大的库伦力吸引力，因此拉扯纺丝的两端并使其与金属条的方向垂直。另一方面，不同于在金属条上的部分，在金属条间的纺丝会带正电。由于纺丝间的静电排斥而加强了纺丝间的有序排列。
[0056]该实施方式中第一金属条和第二金属条所用材质是铝箔、铜箔、铝片或铜片；第一载体底材、第二载体底材和第三载体底材所用材质是绝缘材质，例如玻璃。
[0057]将步骤(I)所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置中，然后将静电纺丝液喷射到放置在载体的容置腔中的叉指电极上进行静电纺丝，在叉指电极上获得聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜。煅烧后所得氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成。
[0058]为了进一步提高氧化锌纳米膜的比表面积，本实用新型的第三【具体实施方式】以每根构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线为轴进一步生长有氧化锌纳米柱，构成氧化锌纳米柱阵列，形成带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜。氧化锌纳米柱是(002)面优势取向的六角柱，该六角柱横截面最大长度为200-300nm，六角柱高度为2_3 μ m，带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜厚度为5-8 μ m。
[0059]下面详细说明氧化锌纳米柱的生长方法。
[0060]以第一【具体实施方式】或第二【具体实施方式】步骤(3)所得氧化锌纳米膜为种子层，以每根构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米阵列，得到带有氧化锌纳米柱阵列的氧化锌纳米膜。本实用新型采用水热合成法或微波加热法，在含氢氧源的锌盐溶液中生长氧化锌纳米柱。
[0061]水热合成法是一种水热法合成氧化锌纳米棒阵列的方法。具体的所述含氢氧源的锌盐溶液包括醋酸锌、硝酸锌或草酸锌的水溶液；所用氢氧源包括氢氧化钠、氨水、碳酸铵、或六亚甲基四胺。将锌盐加入到装有去离子水的容器(封口瓶或水热釜)中，然后再注入部分去离子水，锌盐的浓度为5?50mM(毫摩尔每升)。优选的，在所述锌盐溶液中掺杂锡盐，所述锡盐是包括氯化锡、醋酸锡、硝酸锡或草酸锡。锡盐的浓度为5mM?10mM。
[0062]待锌盐溶解后再加入氢氧源(如滴入氨水)混合均匀，然后在80-100°C下(例如利用烘箱)，将步骤(3)所得氧化锌纳米膜置于含氢氧源的锌盐溶液中，使氧化锌纳米柱生长2-12小时。
[0063]本实用新型所得带有氧化锌纳米柱阵列的氧化锌纳米膜，由于合成氧化锌纳米柱的宽高比较高，可以增加单位体积里的比表面积。
[0064]本实施方式中氧化锌纳米膜可以是具有一定的取向性，例如第二实施方式所得的氧化锌纳米膜，由纺丝纤维有序排列的聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜煅烧而成。这样，使得生长在该氧化锌纳米膜上的氧化锌纳米柱更有有序性，得到的比表面积更大。也就是说，当以平行丝为种子层时，由于平行丝的密度很高，水热合成法合成的氧化锌纳米柱彼此交缠使表面成为有序的氧化锌地毯。
[0065]下面通过具体的实施例来阐述本实用新型的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本实用新型权利要求范围的限制。
[0066]实施例1
[0067]本实施例所得乙醇传感器尺寸为2cmX 2cm,氧化锌纳米膜厚度为500nm,构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线直径为300nm。下面说明该乙醇传感器的制备方法。
[0068](I)叉指电极的制备
[0069]以金箔为靶材，用磁控溅射在硅芯片上沉积叉指电极，电极厚度约为70纳米。
[0070](2)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液
[0071]将22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)缓慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再缓慢加入0.9g醋酸锌和0.33g的SnCl2.2H20,然后混合均匀得到静电纺丝液。
[0072](3)静电纺丝
[0073]将步骤(2)所得静电纺丝液加入到注射针管中，针头(不锈钢)接高压源，接收端接地。然后在电压为12kV，接收距离为16cm条件下，用微量泵以推动速度0.lml/hr，将静电纺丝液注射到叉指电极上进行静电纺丝，在叉指电极上获得PVP-锌盐-Sn纤维膜。
[0074](4)煅烧
[0075]将步骤(3)所得纤维膜连同叉指电极一起在高温炉中进行煅烧，煅烧条件为:按照10°C /min的升温速率升温至500°C，恒温煅烧I小时；然后冷却到室温，得到乙醇传感器。
[0076]封闭环境下，将乙醇传感器放置在250°C的加热板上，由微量针管将乙醇40ul滴在加热板上蒸发成乙醇气体。以外加电压5V分别连接上述乙醇传感器的叉指电极中的一组电极，并将10ΜΩ电阻串联在电路中，用三用电表量测电阻两端的电压变化。
[0077]在外加电压5V、操作温度250°C的情况下，注入乙醇40ul (微升)，经一分钟后，电阻两端的电压由0.16升到0.48V。经换算，电阻由3.025X 10_8欧姆降到0.83X 10_8欧姆。定义响应度为无乙醇时的电阻/有乙醇蒸气时的电阻。实施例1中乙醇传感器响应度为
3.66。
[0078]实施例2
[0079]本实施例所得乙醇传感器尺寸为2cmX 2cm，氧化锌纳米膜厚度为600nm，构成氧化锌纳米膜为平行氧化锌纳米线，其直径为300nm。下面说明乙醇传感器制备方法。
[0080](I)叉指电极的制备
[0081]以金箔为靶材，用磁控溅射在硅芯片上沉积叉指电极，电极厚度约为70纳米。
[0082](2)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液
[0083]将22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)缓慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再缓慢加入0.9g醋酸锌和0.33g的SnCl2.2H20,然后混合均匀得到静电纺丝液。
[0084](3)静电纺丝
[0085]将步骤(2)所得静电纺丝液加入到注射针管中，针头(不锈钢)接高压源，接收端接地。将叉指电极放置到如图3和图4所示的载体的容置腔中。
[0086]在电压为12kV，接收距离为16cm条件下，用微量泵以推动速度0.lml/hr，将静电纺丝液注射到叉指电极上进行静电纺丝，在叉指电极上获得PVP-锌盐-Sn纤维膜。[0087](4)煅烧
[0088]将步骤(3)所得纤维膜膜连同叉指电极一起在高温炉中进行煅烧，煅烧条件为:按照10°C /min的升温速率升温至500°C，恒温煅烧I小时；然后冷却到室温，得到乙醇传感器。
[0089]封闭环境下，将乙醇传感器放置在250°C的加热板上，由微量针管将乙醇(40 μ L)滴在加热板上蒸发成乙醇气体。以外加电压5V分别连接上述乙醇传感器的叉指电极中的一组电极，并将10ΜΩ电阻串联在电路中，用三用电表量测电阻两端的电压变化。
[0090]在外加电压5V、操作温度250°C的情况下，注入乙醇40ul，经一分钟后，电阻两端的电压由0.16升到0.72V。经换算，电阻由3.025Χ10-8欧姆降到0.55Χ10-8欧姆。定义响应度为无乙醇时的电阻/有乙醇蒸气时的电阻。实施例2中乙醇传感器响应度为5.49。
[0091]实施例3
[0092]本实施例所得乙醇传感器尺寸为2cmx2cm，氧化锌纳米膜厚度为I μ m，构成氧化锌纳米膜为平行氧化锌纳米线，其直径为300nm，以氧化锌纳米线为轴进一步生长有氧化锌纳米柱，氧化锌纳米柱为六角柱，高2μπι，横截面最大长度为200nm。下面说明乙醇传感器制备方法。
[0093](I)叉指电极的制备
[0094]以金箔为靶材 ，用磁控溅射在硅芯片上沉积叉指电极，电极厚度约为70纳米。
[0095](2)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液
[0096]将22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)缓慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再缓慢加入0.9g醋酸锌和0.33g的SnCl2.2H20,然后混合均匀得到静电纺丝液。
[0097](3)静电纺丝
[0098]将步骤(2)所得静电纺丝液加入到注射针管中，针头(不锈钢)接高压源，接收端接地。将叉指电极放置到如图3和图4所示的载体的容置腔中。
[0099]在电压为12kV，接收距离为16cm条件下，用微量泵以推动速度0.lml/hr，将静电纺丝液注射到叉指电极上进行静电纺丝，在叉指电极上获得PVP-锌盐-Sn纤维膜。
[0100](4)煅烧
[0101]将步骤(3)所得纤维膜连同叉指电极一起在高温炉中进行煅烧，煅烧条件为:按照10°C /min的升温速率升温至500°C，恒温煅烧I小时；然后冷却到室温。
[0102](5)生长氧化锌纳米柱阵列
[0103]将0.238g硝酸锌与0.064g SnCl2.2Η20加入到装有250ml去离子水的封口瓶中，然后再注入40ml去离子水，待硝酸锌与氯化锡溶解后再滴入Iml氨水(重量百分比28% )混合均匀，然后在90°C下在烘箱中反应5小时，使氧化锌纳米柱生长，得到乙醇传感器。
[0104]封闭环境下，将乙醇传感器放置在250°C的加热板上，由微量针管将乙醇GOljL)滴在加热板上蒸发成乙醇气体。以外加电压5V分别连接上述乙醇传感器的叉指电极中的一组电极，并将10ΜΩ电阻串联在电路中，用三用电表量测电阻两端的电压变化。
[0105]在外加电压5V、操作温度250°C的情况下，注入乙醇40ul，经一分钟后，电阻两端的电压由0.16升到0.96V。经换算，电阻由3.025Χ10-8欧姆降到0.4Χ10-8欧姆。定义响应度为无乙醇时的电阻/有乙醇蒸气时的电阻。实施例3中乙醇传感器响应度为7.32。[0106]实施例4
[0107]本实施例所得乙醇传感器尺寸为2cmX 2cm,氧化锌纳米膜厚度为500nm,构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线直径为300nm。下面说明该乙醇传感器的制备方法。
[0108](I)叉指电极的制备
[0109]以金箔为靶材，用磁控溅射在硅芯片上沉积叉指电极，电极厚度约为70纳米。
[0110](2)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液
[0111]将22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)缓慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再缓慢加入0.9g醋酸锌，然后混合均匀得到静电纺丝液。
[0112](3)静电纺丝
[0113]将步骤(2)所得静电纺丝液加入到注射针管中，针头(不锈钢)接高压源，接收端接地。然后在电压为12kV，接收距离为16cm条件下，用微量泵以推动速度0.lml/hr，将静电纺丝液注射到叉指电极上进行静电纺丝，在叉指电极上获得PVP-锌盐纤维膜。
[0114](4)煅烧
[0115]将步骤(3)所得纤维膜连同叉指电极一起在高温炉中进行煅烧，煅烧条件为:按照10°C /min的升温速率升温至500°C，恒温煅烧I小时；然后冷却到室温，得到乙醇传感器。
[0116]封闭环境下，将乙醇传感器放置在250°C的加热板上，由微量针管将乙醇定量滴在加热板上蒸发成乙醇气体。以外加电压5V分别连接上述乙醇传感器的叉指电极中的一组电极，并将10ΜΩ电阻串联在电路中，用三用电表量测电阻两端的电压变化。
[0117]在外加电压5V、操作温度250°C的情况下，注入乙醇40ul，经一分钟后，电阻两端的电压由0.16升到0.194V。经换算，电阻由3.025X 10_8欧姆降到2.477Χ10-8欧姆。定义响应度为无乙醇时的电阻/有乙醇蒸气时的电阻。实施例4中乙醇传感器响应度为1.22。
[0118]由图8可以看出，本实施例中乙醇传感器可以感受因乙醇吸收在氧化锌表面所造成的电阻下降，乙醇传感器的响应度与环境里增加的乙醇气体浓度呈近似线性变化，当乙醇量从O变化到40ul，响应度从I变化成1.22，响应度灵敏。
[0119]本实用新型采用静电纺丝法-煅烧在叉指电极上生成氧化锌纳米膜，该氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成，可以是无序的也可以是平行的。然后优选的在氧化锌纳米膜表面上以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，该氧化锌纳米柱是在(002)面优势取向的六角柱。本实用新型乙醇传感器可以感受因乙醇吸收在氧化锌表面所造成的电阻下降，乙醇传感器的响应度与环境里增加的乙醇气体浓度呈近似线性变化，该乙醇传感器具有灵敏度高，响应时间短的特点。
【权利要求】
1.一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，包括形成叉指电极的两组电极，以及设置在叉指电极至少一侧表面的氧化锌纳米膜； 所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成； 所述叉指电极的两组电极不导通，形成所述乙醇传感器的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述氧化锌纳米膜是由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成的氧化锌纳米膜。
3.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述氧化锌纳米线的直径为200-300nm。
4.根据权利要求3所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述氧化锌纳米膜的厚度为500nm-l μ m。
5.根据权利要求4所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，以每根构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线为轴进一步生长有氧化锌纳米柱，构成氧化锌纳米柱阵列，形成带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米柱是(002)面优势取向的六角柱。
6.根据权利要求5所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述六角柱横截面最大长度为200-300nm,六角柱高度为2_3 μ m。
7.根据权利要求5所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜的厚度为5-8 μ m。
8.根据权利要求6或7所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，每立方微米氧化锌纳米膜平均由2-3根氧化锌纳米线构成,氧化锌纳米柱彼此交缠。
9.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述叉指电极是由在基板上沉积或涂布金、铟锡金属氧化物、银、铜或铝形成的叉指电极。
10.根据权利要求9所述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，其特征在于，所述基板是硅、玻璃或有机玻璃。
【文档编号】G01N27/12GK203772790SQ201320796946
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】叶柏盈 申请人:纳米新能源生命科技（唐山）有限责任公司