一种气敏传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种气敏传感器，包括由下至上安装的基板、底电极、绝缘层、上电极引线层、敏感薄膜层和上电极组成，所述的敏感薄膜层为稀土金属酞菁LB膜敏化大带宽金属氧化物纳米孔道阵列结构，如TiO2纳米管阵列。本发明还提供了所述气敏传感器的制备方法。本发明提供的气敏传感器结构新颖、易于集成。本身体积可控，为传感器的小型化、轻型化、集成化提供了便利。因其在室温下工作，在化工、医药、食品工业等都具有非常广阔的应用前景。
【专利说明】一种气敏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】，具体涉及可在室温条件下对氮氧化物灵敏响应的有机无机复合气体传感器结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它可以感受外界气氛的变化并将其转变为可利用的信号，并根据信号强弱获得待测气体在环境中存在情况的有关信息，从而实现对特定种类气体的检测、监控、报警。在生物、医疗、环境监测及工业预警等方面都有非常广泛的应用。其主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
[0003]传统的半导体气敏传感器是以金属氧化物或金属半导体氧化物材料为核心而制成的敏感元件。其通过与气体相互作用时，发生物理吸附、扩散、化学吸附(微氧化还原反应)、解吸附，逆扩散从而引起载流子数量的增加或减少，宏观表现为外部电信号(电流或电阻)的相应变化。因其有灵敏度较高、成本低廉、制造简单、响应速度快、寿命长、一致性好、对湿度敏感低、电路简单、小型化、易集成等特点。所以得到了广大研究者的关注。但此类气敏传感器的不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想。依据分子的热运动理论及氧离子势垒模型，为了提高气敏传感器的灵敏度，缩短响应时间，很多气敏传感器都是在200至500°C的高温下工作的(如美国宾夕法尼亚大学的Grimes课题组制备的钛基氢敏传感器在290°C工作,德国的Bilge Saruhan课题组制备的N02气敏传感器的工作温度在300至500°C )。工作温度高带来仪器能耗及使用安全问题，限制了此类传感器的应用。许多研究者提出掺杂以降低传感器的工作温度。掺杂元素一般为贵金属(如Pt、Pb)，但掺杂的工艺如制备合金、电镀、磁控溅射等都相对复杂且成本较闻。
[0004]有机半导体气敏材料主要包括卟啉、叶吩、酞菁及其衍生物、络合物等。大环结构中的16个电子与中心金属的两个d电子构成18电子的共轭结构使得这类半导体具有导电性。当大环与气体分子发生化学吸附时，由于气体分子与酞菁等之间发生了电子转移而导致宏观检测电流的增大或减小。近年来，由于有机半导体易于修饰、对特定分子的灵敏度高、制膜工艺简单、在常温工作、可与其他技术兼容，而备受研究者的关注。
[0005]无机半导体气敏材料主要是指氧化锡、氧化锌、氧化钛等金属氧化物材料。随着纳米技术不断进步，具有多孔纳米结构的无机半导体逐渐进入人们眼帘。氧化钛由于化学性质稳定、安全无毒且具备优异的光电性能而备受关注。氧化钛纳米管因其有很高的比表面积，易于吸附气体分子，而被传感器领域的专家广泛研究。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是如何提供一种气敏传感器的结构及其制备方法，该气敏传感器采用了酞菁有机半导体LB薄膜敏化无机纳米孔道结构，简化了气敏传感器的制备工艺，增加了灵敏度，降低了传感器的工作温度。
[0007]本发明是这样实现的:
[0008]一种气敏传感器，包括由下至上安装的基板、底电极、绝缘层、上电极引线层、敏感薄膜层和上电极组成，所述的敏感薄膜层为稀土金属酞菁LB膜敏化大带宽金属氧化物纳米孔道阵列结构，如TiO2纳米管阵列。
[0009]稀土金属酞菁是由两个酞菁环与一个稀土金属离子形成的夹心配合物分子，中心离子包括镧、铺、铕和铺等。稀土金属酞菁采用Langmuire-Blodgget拉膜方法在器件上形成的薄膜称为稀土金属酞菁LB膜。稀土金属酞菁结构式如下:
[0010]
【权利要求】
1.一种气敏传感器，包括由下至上安装的基板、底电极、绝缘层、上电极引线层、敏感薄膜层和上电极组成，其特征在于:所述的敏感薄膜层为稀土金属酞菁LB膜敏化大带宽金属氧化物纳米孔道阵列结构。
2.根据权利要求1所述气敏传感器，其特征在于所述稀土金属酞菁是以下材料中的一种:酞菁镧，酞菁铈，酞菁铕，酞菁铽，所述大带宽金属氧化物纳米孔道阵列为氧化钛纳米管阵列。
3.根据权利要求1所述气敏传感器，其特征在于所述基板是硅基板或者玻璃。
4.根据权利要求1所述气敏传感器，其特征在于所述绝缘层材料为氮化硅、氮化铝、氧化硅、氧化铝、氮化钛、氧化钛、氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化钛其中一种或者几种,膜厚度在IOnm 至 50nmo
5.根据权利要求1所述气敏传感器，其特征在于所述底电极为具有良好导电性、热稳定性和化学稳定性的的化合物薄膜，膜厚200至500nm。
6.根据权利要求1所述气敏传感器，其特征在于所述上电极为金属薄膜。
7.根据权利要求6所述气敏传感器，其特征在于所述金属薄膜的金属为Al、Au、Cu,金属薄膜膜厚200至500nm。
8.权利要求1至7任一权利要求所述气敏传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一、基板清洗:对基板按顺序分别利用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，每种溶剂超声时间20min。对超声好的基板用氮气吹干，之后在200°C对基板热处理IOmin以出去表面的残留有机物。 步骤二、层级结构的构建:在基板上制备全覆盖底电极导电薄膜，之后在底电极右端制备绝缘层，并对其进行热处理加工。在绝缘层上制备上电极弓I线层。 步骤三、敏感膜层的制备:在底电极左端制备大面积敏感膜前驱体层，在一定电压下通过电化学阳极氧化法在前驱体层上生长纳米孔阵列结构，并保证此阵列结构底部无氧化物阻挡层。之后制备稀土酞菁LB膜，并通过垂直提拉法敏化氧化物纳米管膜层，形成复合结构。 步骤四、多孔上电极的制备:为保纳米孔道不被堵塞且上电极引线的有效性，通过掩膜版在纳米孔阵列顶部制备一定面积的网状形上电极并将其与步骤2中的上电极引线层连接。
9.根据权利要求8所述气敏传感器的制备方法，其特征在于:所述底电极导电膜层、绝缘膜层及敏感膜层前驱体均通过直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子镀以及化学气相沉积中一种或几种方法完成。
【文档编号】G01N27/00GK103698365SQ201310753768
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】官德斌, 杨云涛, 邓建国 申请人:中国工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心