掺杂NiO氧化物半导体二甲苯传感器、制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝技术获得的W6+掺杂N1氧化物半导体纳米管敏感材料的二甲苯传感器、制备方法及其在室内环境中检测二甲苯蒸汽方面的应用。
【背景技术】
[0002]二甲苯是一种易燃、易挥发、有刺激性气味的无色透明液体，其是由45%?70%的间二甲苯、15%?25%的对二甲苯和10%?15%邻二甲苯(体积百分数)三种异构体所组成的混合物。二甲苯毒性为中毒，广泛存在于用于家庭装修中的涂料、燃料、粘合剂等装修材料中，长时间接触会对神经系统产生危害并会产生例如头疼、身体虚弱、眼痛、鼻痛等室内病。美国政府工业卫生工作者学会指出成人对二甲苯的每天最大允许接触浓度为10ppmo另外，二甲苯蒸汽与空气混合可形成爆炸物，遇明火、高热极易燃烧爆炸，爆炸极限1%?7% (体积百分数)。由此可见，对室内环境中二甲苯蒸汽的快速、及时、准确的检测是非常重要的，这就需要借助于灵敏度高、响应恢复快、重复性好的二甲苯传感器。
[0003]目前，国内外对二甲苯气敏传感器的研宄工作都处于起步阶段，针对二甲苯气体的专门传感器还没有形成有效的产业化。限制此类传感器实用化的一个主要因素就是传感器的灵敏度低、重复性差和长期稳定性差。为了使传感器能够具有较高的灵敏度、较快的响应速度和较好的重复性，可以使用高性能的敏感材料来实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于静电纺丝技术制备的W6+掺杂N1氧化物半导体敏感材料的二甲苯传感器、制备方法及其在室内环境中检测二甲苯蒸汽方面的应用。本发明通过对半导体材料进行掺杂，增加传感器的灵敏度，提高传感器的响应速度，改善传感器的重复性，促进此种传感器在气体检测领域的实用化。
[0005]本发明所得到的传感器除了具有较高的灵敏度外，并具有较好的重复性和长期稳定性。该传感器的检测下限为15ppm，可用于室内环境中二甲苯蒸汽含量的检测。
[0006]如图1所示，本发明所述W6+掺杂N1氧化物半导体二甲苯传感器，由正面带有2个分立的L形金电极5、背面带有氧化钌加热层3及在氧化钌加热层3表面带有2个分立的矩形金电极6的Al2O3绝缘陶瓷板1、涂覆在L形金电极5和Al 203绝缘陶瓷板I正面的半导体敏感材料薄膜2组成；每个L形金电极5和矩形金电极6都各自焊接有I条铂线4，通过测量与2个L形金电极5焊接的两条铂线间的电阻可以获得两个L形金电极间的电阻，而通过与矩形金电极6焊接的铂线4可以对氧化钌加热层3施加电压，给Al2O3绝缘陶瓷板I进行加热；根据灵敏度S的定义S = Rg/Ra，通过测量RjP R a，经计算可得到传感器的灵敏度；其特征在于:半导体敏感材料为W6+掺杂的N1氧化物半导体纳米管，W 6+和Ni 2+的摩尔比为0.02?0.08:1 ;该敏感材料是采用静电纺丝技术制备，经煅烧后热压在L形金电极5和Al2O3绝缘陶瓷板I的正面;W6+的掺入，一方面改变了 N1氧化物半导体纳米管的形貌特征；另一方面减少了 N1材料中的空穴浓度，从而提高传感器的灵敏度。此外，平板式传感器和氧化物半导体的制作工艺简单，利于工业上批量生产。N1氧化物半导体纳米管的直径85?95nm，长度3?5微米。
[0007]本发明所述的一种基于静电纺丝技术获得的W6+掺杂N1氧化物半导体纳米管敏感材料的二甲苯传感器的制备方法，其步骤如下:
[0008]I)首先将0.02?0.08mmol WCl6、2mmol NiCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在9?1g二甲基甲酰胺中，搅拌4?8小时形成溶胶；
[0009]2)把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为9?11cm，喷丝口和收集板间施加电压为10?15kv，收集板接地，纺丝2?5小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物；
[0010]3)将上述纳米电纺丝产物在450?500°C下煅烧2?5小时得到W6+掺杂N1半导体氧化物纳米管敏感材料，将该敏感材料放置在市售的正面带有2个分立的L形金电极5、背面带有氧化钌加热层3及在氧化钌加热层3表面带有2个分立的矩形金电极6的绝缘Al2O3陶瓷板I的正面，并使敏感材料完全覆盖L形金电极5，然后在200?260°C下热压15?30分钟，形成10?30 μ m的敏感材料薄膜2 ;陶瓷板的长为1.3?1.7mm，宽为0.8?
1.3mm,厚为 0.08 ?0.1 2mm ；
[0011]4)将步骤3)得到的绝缘Al2O3陶瓷板I在500?550°C烧结2?4小时，最后将上述器件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的二甲苯传感器。
[0012]本发明的优点:
[0013](I)传感器利用常见的P型半导体材料N1，它们具有良好的电导率和化学稳定性；
[0014](2)利用掺杂了 W6+的N1可以使传感器的灵敏度显著提高，促进其实用化，在国内外未见报道；
[0015](3) W6+掺杂N1纳米管是利用静电纺丝技术制作，制作方法简单，造价低廉利于批量化的工业生产。
【附图说明】
[0016]图1:W6+掺杂N1氧化物半导体二甲苯传感器的结构示意图；
[0017]图1 (a)为传感器正面示意图；图1 (b)传感器背面示意图；
[0018]图2:对比例、实施例1、实施例2和实施例3中传感器在不同工作温度对200ppm二甲苯的灵敏度对比曲线；
[0019]图3:实施例2的二甲苯浓度一灵敏度的标准工作曲线。
[0020]如图1所示，各部件名称为:A1203绝缘陶瓷板I ;半导体敏感材料2 ;氧化钌加热层3 ;铂线4 ;L形金电极5 ;矩形金电极6。
[0021]图2为对比例和实施例1、2、3所制作的器件对200ppm 二甲苯的灵敏度随工作温度的变化曲线。从图中可以看出，对比例的最佳工作温度为375 °C，此时灵敏度为2.62 ;实施例1的最佳工作温度为375°C，此时灵敏度分别为3.35 ;实施例2的最佳工作温度为375°C，此时灵敏度分别为8.74 ;实施例3的最佳工作温度为400°C，此时灵敏度分别为4.49?在最佳工作温度下，实施例2的灵敏度最高，约为对比例灵敏度的3.3倍。由此可见，通过掺入W6+可以改善敏感材料与二甲苯的反应效率，进而得到了一个具有高灵敏度的W6+掺杂N1氧化物半导体二甲苯传感器。
[0022]图3为实施例2在最佳工作温度375°C的二甲苯浓度一灵敏度的标准工作曲线。灵敏度测试方法:首先将传感器放入气体箱，通过与传感器连接的电流表测得此时铂线两端的电阻，得到传感器在空气中的电阻值即Ra;然后使用微量进样器向气体箱中注入15?100ppm的二甲苯，通过测量得到传感器在不同浓度二甲苯中的电阻值即Rg，根据灵敏度S的定义公式S = Rg/Ra，通过计算得到不同浓度下传感器的灵敏度，最终得到二甲苯浓度一灵敏度的标准工作曲线。从图中可以看出，该传感器的检测下限为15ppm，此时的灵敏度为
2.17 ;二甲苯浓度为100ppm时，此时的灵敏度为15.59。
[0023]实际测量时可通过上述办法测得Ra、Rg，得到灵敏度值后与二甲苯浓度一灵敏度的标准工作曲线进行对比，从而得到环境中的二甲苯含量。另外，如图所示当气体浓度较小?lOOppm)时，传感器灵敏度的线性较好，这些特点使该种二甲苯传感器能够很好的能够应用于室内环境中二甲苯气体的检测。
【具体实施方式】
[0024]对比例1:
[0025]以N1纳米管作为敏感材料制作平板式二甲苯传感器，其具体的制作过程: