专利名称：利用纳米材料检测有机气体的方法及传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于气敏传感器领域，特别涉及利用纳米材料检测有机气体的方法及传感器。
背景技术：
目前的气敏传感器多基于电化学原理，利用待测气体与传感器材料的相互作用，引起传感材料本身电学性质如电导等的变化，从而进行检测。这类传感器的不足之处在于灵敏度不够高，且材料本身的电化学量受环境温度和湿度的影响较大。光离子化传感器利用紫外线照射产生的臭氧与待测组分反应产生离子，通过检测离子在外加电场下产生的电流对挥发性气体进行检测。因为检测的是离子定向移动产生的电流，因而具有很高的灵敏度，且能够避免环境温度和湿度的影响。但是这类传感器需要紫外光源，使传感器结构较为复杂；又由于离子是样品与紫外线照射产生的臭氧反应间接生成，因此离子化效率较低，影响了其灵敏度的进一步提高。有机分子在具有催化活性的固体材料表面发生催化反应时可产生离子。纳米材料的催化活性强，催化离子化性能好，而且纳米材料本身电化学量的改变并不影响离子的测量，所以可避免环境温度和湿度的影响。类似工作在2003年7月10日“Nature”杂志上报道了一篇利用碳纳米管阵列电子发射功能测定某些气体的微型传感器。该传感器利用碳纳米管尖端在较低电压下产生的高电场强度，使氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氨气、空气等电离，通过检测两电极间的电流强度对上述气体进行测定。利用纳米材料的催化性质产生离子，检测离子在电场作用下产生的电流进行有机气体测定的传感器的研发还很少见到。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用纳米材料检测有机气体的方法及传感器。其特征在于所述利用纳米材料检测有机气体的方法是利用有机分子在具有催化活性的纳米材料表面发生催化反应时可产生离子，通过检测有机分子在纳米材料表面催化反应过程中产生的离子在外加电场下定向移动产生的电流的大小，确定有机气体的浓度。即当有机气体从有机气体进口通入传感器内时，加热器陶瓷基底上面的下电极，使纳米催化膜温度为100-500℃，有机气体与纳米催化膜层相互作用，分解产生离子，并在外加直流电场下作定向移动，产生的电流大小与有机气体浓度呈线性关系并据此确定有机气体浓度。
所述的纳米材料是TiO2、γ-Al2O3、Co3O4、BaCO3、SrCO3中的一种。
所述传感器的结构为在电加热器陶瓷基底上面固定一下电极，纳米催化膜层涂在其上构成敏感层，另有上电极与之相对，用以检测产生的离子，有机气体进口装在上电极中部。
本发明的有益效果是利用纳米材料高催化活性的特点使有机分子离子化，并开发出高灵敏度、无损耗、长寿命的气体传感器。利用镀膜技术，可实现传感器的微型化和阵列化。由于纳米材料的催化活性比同类块体材料强，催化离子化性能好，而且纳米材料本身电化学量的改变并不影响离子的测量，因此本发明中的传感器可在较低的温度下工作，并可避免环境温度和湿度的影响。
图1为具有纳米催化膜涂层的传感器结构示意图。
具体实施例方式
图1所示为具有纳米催化膜涂层的传感器结构示意图。传感器的构成在陶瓷基底1的中心为电阻丝加热器3，在基底1表面上固定下电极2，纳米催化膜层6涂在下电极2上，在电极2上方固定上电极4。加热纳米催化膜涂层6至100-500℃并在两电极2和4间加上200V直流电压，当有机气体从进口5通入传感器内时，有机气体与纳米催化膜层6相互作用分解产生离子并在外加电场下定向移动，产生的电流大小与有机气体浓度呈线性关系并据此确定有机气体浓度。因为检测的是离子定向移动产生的电流，纳米材料本身电化学量的改变并不影响离子的测量，因而既具有很高的灵敏度，又能够避免环境温度和湿度的影响。
下面再举实际应用的几种纳米传感材料所作实例对本发明的效果予以进一步说明。
实施例一将纳米TiO2以粉体或薄膜的形式烧结在陶瓷加热器表面的电极上。工作温度在200-300℃范围内，载气气体为N2∶O2混合气(配比在1∶99-99∶1范围内)，流速在10-100mL/min范围内。取定量的有机气体，比如10mL乙醇或丙酮或芳烃类化合物，注入到载气中，带到反应室中进行反应，产生的电流信号放大后由电脑自动记录；或者将其液体放置于一容器中，利用载气将其蒸气从容器中带出，进入到反应室。电流信号随气体浓度的变化呈线性变化。如对乙醇液体，线性范围为0.1-1000μg/mL。
实施例二将纳米γ-Al2O3以粉体或薄膜的形式烧结在陶瓷加热器表面的电极上。工作温度在300-400℃范围内，载气气体为N2∶O2混合气(配比在1∶99-99∶1范围内)，流速在10-100mL/min范围内。取定量的气体，比如10mL乙醇或丙酮或芳烃类化合物，注入到载气中，带到反应室中进行反应，产生的电流信号放大后由电脑自动记录；或者将其液体放置于一容器中，利用载气将其蒸气从容器中带出，进入到反应室。电流信号随气体浓度的变化呈线性变化。如对丙酮气体，其线性范围为0.10-1000ppm。
实施例三将纳米材料Co3O4以粉体或薄膜的形式烧结在陶瓷加热器表面的电极上。工作温度在100-200℃范围内，载气气体为N2∶O2混合气(配比在1∶99-99∶1范围内)，流速在10-100mL/min范围内。取定量的气体，比如10mL乙醇或丙酮或芳烃类化合物，注入到载气中，带到反应室中进行反应，产生的电流信号放大后由电脑自动记录；或者将其液体放置于一容器中，利用载气将其蒸气从容器中带出，进入到反应室。电流信号随气体浓度的变化呈线性变化。如对苯甲烷气体，其线性范围为1-8000ppm。
实施例四将纳米材料BaCO3以粉体或薄膜的形式烧结在陶瓷加热器表面的电极上。工作温度在200-300℃范围内，载气气体为N2∶O2混合气(配比在1∶99-99∶1范围内)，流速在10-100mL/min范围内。取定量的气体，比如10mL乙醇或丙酮或烃类气体，注入到载气中，带到反应室中进行反应，产生的电流信号放大后由电脑自动记录；或者将其液体放置于一容器中，利用载气将其蒸气从容器中带出，进入到反应室。电流信号随气体浓度的变化呈线性变化。如对乙醛气体，其线性范围为0.1-1000ppm。
实施例五将纳米材料SrCO3以粉体或薄膜的形式烧结在陶瓷加热器表面的电极上。工作温度在400-500℃范围内，载气气体为N2∶O2混合气(配比在1∶99-99∶1范围内)，流速在10-100mL/min范围内。取定量的气体，比如10mL乙醇气体，注入到载气中，带到反应室中进行反应，产生的电流信号放大后由电脑自动记录；或者将其液体放置于一容器中，利用载气将其蒸气从容器中带出，进入到反应室。电流信号随气体浓度的变化呈线性变化。如对乙醇气体，其线性范围为0.1-1000ppm。
权利要求
1.一种利用纳米材料检测有机气体的方法，其特征在于利用有机分子在纳米材料表面发生催化反应时可产生离子的性质，根据离子在外加电场下定向移动产生的电流的大小确定有机气体的浓度；即当有机气体从有机气体进口通入传感器内时，加热器陶瓷基底上面的下电极，使纳米催化膜温度为100-500℃，有机气体与纳米催化膜层相互作用，分解产生离子，并在外加直流电场下作定向移动，产生的电流大小与有机气体浓度呈线性关系并据此确定有机气体浓度。
2.根据权利要求1所述利用纳米材料检测有机气体的方法，其特征在于所述的纳米材料是TiO2、γ-Al2O3、Co3O4、BaCO3、SrCO3中的一种。
3.一种利用纳米材料检测有机气体的传感器，其特征在于所述传感器结构是在电加热器陶瓷基底上面固定一下电极，纳米催化膜层涂在其上构成敏感层，另有上电极与之相对，有机气体进口装在上电极中部。
全文摘要
本发明公开了一种利用纳米材料检测有机气体的方法及传感器，属于气敏传感器领域。本方法利用纳米材料的高催化活性产生有机分子离子的原理和敏感材料本身电化学量的改变不影响离子测量的特点，通过检测有机分子在纳米材料表面催化反应过程中产生的离子在外加电场下定向移动产生的电流的大小，确定有机气体的浓度。传感器结构包括陶瓷基底电加热器、涂敷纳米催化膜的电极、与之相对的另电极，以及由它们构成的气体敏感元件。该传感器具有灵敏度高、受环境温度和湿度影响小、无损耗、长寿命的特点，并可利用镀膜技术实现传感器的微型化和阵列化。
文档编号G01N27/64GK1527051SQ03160030
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月23日 优先权日2003年9月23日
发明者张新荣, 张四纯, 刘国宏 申请人:清华大学