二氧化碳气体传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种气敏响应较快的二氧化碳气体传感器及其制备方法。该二氧化碳气体传感器，包括衬底，所述衬底的上表面设置有叉指电极，所述叉指电极表面沉积有颗粒状支撑体形成的非连续薄膜，所述非连续薄膜表面沉积有氧化石墨烯构成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通过颗粒支撑体之间的间隙与叉指电极接触。利用颗粒状支撑体将二氧化碳敏感薄膜撑起，使得二氧化碳气体分子能够在三维方向上和氧化石墨烯材料接触，有效地提高了二氧化碳气体传感器对二氧化碳气体分子的响应，气敏响应较快，而且有利于二氧化碳气体的解吸附，同时改善了二氧化碳气体传感器的性能受限于敏感薄膜厚度的情况。适合在传感器【技术领域】推广应用。
【专利说明】二氧化碳气体传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器【技术领域】，具体涉及一种二氧化碳气体传感器及其制备方法。【背景技术】
[0002]自20世纪末人类进入信息社会以来，人们的一切活动都是以信息获取与信息交换为中心，作为信息技术的基础与三大支柱之一的传感器技术也进入高速发展的新时期。
[0003]由于叉指电极对涂覆在其上的薄膜电阻、电解质变化响应极其灵敏，因此基于叉指电极的电阻型、电容型气体传感器如雨后春笋般涌现。现有的二氧化碳气体传感器一般包括衬底和衬底表面设置的叉指电极，在叉指电极表面沉积一层氧化石墨烯膜，这种现有的电阻型气体传感器在使用过程中存在以下问题:由于氧化石墨烯膜是直接沉积在叉指电极的表面，这就是使得氧化石墨烯膜厚度较小，而且薄膜底层的敏感材料也不能和待测气体或蒸汽分子充分接触，造成气体传感器的气敏响应较慢，待测气体或蒸汽分子的解吸附不充分，响应、恢复时间很长。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种气敏响应较快的二氧化碳气体传感器。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该二氧化碳气体传感器，包括衬底，所述衬底的上表面设置有叉指电极，所述叉指电极表面沉积有颗粒状支撑体形成的非连续薄膜，所述非连续薄膜表面沉积有氧化石墨烯构成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通过颗粒支撑体之间的间隙与叉指电极接触。
[0006]进一步的是，所述颗粒状支撑体为氧化锌颗粒。
[0007]进一步的是，所述衬底采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0008]本发明还提供了一种制备上述二氧化碳气体传感器的方法，具体方案如下:该二氧化碳气体传感器的制备方法，包括以下步骤:
[0009]A、制备醋酸锌溶胶；
[0010]B、将醋酸锌溶胶沉积在叉指电极上，所述叉指电极固定在衬底上；
[0011]C、将沉积有醋酸锌溶胶的叉指电极放置在高温环境中，醋酸锌溶胶被氧化形成氧化锌颗粒；
[0012]D、将氧化石墨烯溶液沉积在经过步骤C处理后的叉指电极表面，并进行干燥处理。
[0013]进一步的是，在步骤A中，采用溶胶凝胶法制备醋酸锌溶胶，具体如下:将适量的二水合乙酸锌溶于定量的无水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作为稳定剂并搅拌一段时间得到前驱液，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸锌溶胶。
[0014]进一步的是，在步骤B中，将醋酸锌溶胶通过气喷成膜的工艺沉积在叉指电极上。
[0015]进一步的是，在步骤C中，将沉积有醋酸锌溶胶的叉指电极放置在温度为300°C的环境中，醋酸锌溶胶被氧化形成氧化锌颗粒。[0016]进一步的是,在步骤D中，将氧化石墨烯溶液通过气喷成膜的工艺沉积在经过步骤C处理后的叉指电极表面。
[0017]进一步的是，在步骤D中，所述干燥处理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的时间为两天。
[0018]本发明的有益效果:通过在叉指电极表面沉积由颗粒状支撑体形成的非连续薄膜，所述非连续薄膜表面沉积有氧化石墨烯构成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通过颗粒支撑体之间的间隙与叉指电极接触，利用颗粒状支撑体将二氧化碳敏感薄膜撑起，使得二氧化碳气体分子能够在三维方向上和氧化石墨烯材料接触，使氧化石墨烯材料和二氧化碳气体分子接触更充分，有效地提高了二氧化碳气体传感器对二氧化碳气体分子的响应，气敏响应较快，而且有利于二氧化碳气体的解吸附，同时改善了二氧化碳气体传感器的性能受限于敏感薄膜厚度的情况，另外，该二氧化碳气体传感器是在室温下进行测试的，不需要在特定的温度下进行，便于进行相关的实验操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是现有的二氧化碳气体传感器的结构示意图；
[0020]图2是本发明所述的二氧化碳气体传感器的结构示意图；
[0021]图3是本发明所述的二氧化碳气体传感器和现有的二氧化碳气体传感器对不同浓度的C02气体气敏响应的柱状对比图；
[0022]图中标记说明:衬底1、叉指电极2、二氧化碳敏感薄膜3、非连续薄膜4。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0024]如图2所示，该二氧化碳气体传感器，包括衬底1，所述衬底I的上表面设置有叉指电极2，所述叉指电极2表面沉积有颗粒状支撑体形成的非连续薄膜4，所述非连续薄膜4表面沉积有氧化石墨烯构成的二氧化碳敏感薄膜3，所述二氧化碳敏感薄膜3通过颗粒支撑体之间的间隙与叉指电极2接触。该二氧化碳气体传感器在使用时将其置于测试腔中，采用干燥空气作为载气和稀释气体，并用MT50-4J流量显示仪或MF-3C动态配气系统调节二氧化碳气体的浓度，用多路信号采集器采集相应的电阻信号，所述叉指电极2作为传感器信号的输出端与读出装置或者计算机连接，根据二氧化碳敏感薄膜3的特性通过电阻形式输出传感器信号，测试温度为室温。通过在叉指电极2表面沉积由颗粒状支撑体形成的非连续薄膜4，所述非连续薄膜4表面沉积有氧化石墨烯构成的二氧化碳敏感薄膜3，所述二氧化碳敏感薄膜3通过颗粒支撑体之间的间隙与叉指电极2接触，利用颗粒状支撑体将二氧化碳敏感薄膜3撑起，使得二氧化碳气体分子能够在三维方向上和氧化石墨烯材料接触，使氧化石墨烯材料和二氧化碳气体分子接触更充分，有效地提高了二氧化碳气体传感器对二氧化碳气体分子的响应，气敏响应较快，而且有利于二氧化碳气体的解吸附，同时改善了二氧化碳气体传感器的性能受限于二氧化碳敏感薄膜3厚度的情况，另外，该二氧化碳气体传感器是在室温下进行测试的，不需要在特定的温度下进行，便于进行相关的实验操作。
[0025]所述颗粒状支撑体可以采用现有的各种金属化氧化物，为了使二氧化碳气体传感器的气敏响应更加快速准确，所述颗粒状支撑体优选为氧化锌颗粒，所述衬底I采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0026]本发明还提供了一种制备上述二氧化碳气体传感器的方法，具体方案如下:该二氧化碳气体传感器的制备方法，包括以下步骤:
[0027]A、制备醋酸锌溶胶；
[0028]B、将醋酸锌溶胶沉积在叉指电极2上，所述叉指电极2固定在衬底I上；
[0029]C、将沉积有醋酸锌溶胶的叉指电极2放置在高温环境中，醋酸锌溶胶被氧化形成氧化锋颗粒；
[0030]D、将氧化石墨烯溶液沉积在经过步骤C处理后的叉指电极2表面，这样小部分氧化石墨烯材料透过氧化锌颗粒之间的间隙和叉指电极2相接触以形成导电通路，大部分氧化石墨烯材料和叉指电极2不直接接触，而是沉积在形成的氧化锌颗粒表面上，最后进行干燥处理。根据上述步骤可以很方便的制备出本发明所述的基于叉指电极2的电阻型气体传感器，而且整个制作过程工艺简单，便于操作。
[0031]在上述实施方式中，所述醋酸锌溶胶可以采用现有的各种方法实现，作为优选的是:在步骤A中，采用溶胶凝胶法制备醋酸锌溶胶，具体如下:将适量的二水合乙酸锌溶于定量的无水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作为稳定剂并搅拌一段时间得到前驱液，搅拌采用磁力搅拌的方式进行，搅拌时间为两个小时，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸锌溶胶，加入冰醋酸和氨水可以调节醋酸锌溶胶的PH值。
[0032]为了保证加工质量，避免最后形成的氧化锌颗粒脱落，在步骤B中，将醋酸锌溶胶通过气喷成膜的工艺沉积在叉指电极2上。
[0033]为了能够形成直径较大的氧化锌颗粒，从而提高其支撑效果，在步骤C中，将沉积有醋酸锌溶胶的叉指电极2放置在温度为300°C的环境中，醋酸锌溶胶被氧化形成氧化锌颗粒。
[0034]为了保证加工质量，避免最后形成的敏感薄膜3脱落，在步骤D中，将氧化石墨烯溶液通过气喷成膜的工艺沉积在经过步骤C处理后的叉指电极2表面。
[0035]进一步的是，在步骤D中，所述干燥处理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的时间为两天。
[0036]经过大量实验验证后，得出本发明所述的二氧化碳气体传感器和现有的二氧化碳气体传感器对不同浓度的CO2气体气敏响应的柱状对比图，如图3所示，纵坐标为气敏响应的灵敏度值，横坐标为二氧化碳的浓度值，RGO表示氧化石墨烯，ZnO表示氧化锌，现有的二氧化碳气体传感器是没有氧化锌颗粒构成的非连续薄膜4，由图中可以看出，本发明所述的二氧化碳气体传感器对CO2气体的气敏响应和现有的二氧化碳气体传感器相比提高了将近200%,且利于待测气体分子的解吸附。
【权利要求】
1.二氧化碳气体传感器，包括衬底(I )，所述衬底(I)的上表面设置有叉指电极(2)，其特征在于:所述叉指电极(2)表面沉积有颗粒状支撑体形成的非连续薄膜(4)，所述非连续薄膜(4)表面沉积有氧化石墨烯构成的二氧化碳敏感薄膜(3)，所述二氧化碳敏感薄膜(3)通过颗粒支撑体之间的间隙与叉指电极(2 )接触。
2.如权利要求1所述的二氧化碳气体传感器，其特征在于:所述颗粒状支撑体为氧化锌颗粒。
3.如权利要求1或2所述的二氧化碳气体传感器，，其特征在于:所述衬底(I)采用二氧化硅或硅材料制作而成。
4.二氧化碳气体传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤: A、制备醋酸锌溶胶； B、将醋酸锌溶胶沉积在叉指电极(2)上，所述叉指电极(2)固定在衬底(I)上； C、将沉积有醋酸锌溶胶的叉指电极(2)放置在高温环境中，醋酸锌溶胶被氧化形成氧化锌颗粒； D、将氧化石墨烯溶液沉积在经过步骤C处理后的叉指电极(2)表面，并进行干燥处理。
5.如权利要求4所述的二氧化碳气体传感器的制备方法，其特征在于:在步骤A中，采用溶胶凝胶法制备醋酸锌溶胶，具体如下:将适量的二水合乙酸锌溶于定量的无水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作为稳定剂并搅拌一段时间得到前驱液，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸锌溶胶。
6.如权利要求5所述的二氧化碳气体传感器的制备方法，其特征在于:在步骤B中，将醋酸锌溶胶通过气喷成膜的工艺沉积在叉指电极(2)上。
7.如权利要求6所述的二氧化碳气体传感器的制备方法，其特征在于:在步骤C中，将沉积有醋酸锌溶胶的叉指电极(2)放置在温度为300°C的环境中，醋酸锌溶胶被氧化形成氧化锋颗粒。
8.如权利要求7所述的二氧化碳气体传感器的制备方法，其特征在于:在步骤D中，将氧化石墨烯溶液通过气喷成膜的工艺沉积在经过步骤C处理后的叉指电极(2)表面。
9.如权利要求8所述的二氧化碳气体传感器的制备方法，其特征在于:在步骤D中，所述干燥处理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的时间为两天。
【文档编号】G01N27/04GK103645216SQ201310728757
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】谢光忠, 周泳, 黄俊龙, 解涛, 杜晓松, 太惠玲, 蒋亚东 申请人:电子科技大学