一种一氧化碳气体传感器及制备方法与流程

本发明涉及一种气体传感器及其制备方法，具体讲涉及一种基于au修饰zno微球的一氧化碳气体传感器及制备方法。

背景技术：

随着科技的高速发展，人们对环境污染给我们带来的危害日益关注，尤其对煤炭燃烧的废气，汽车排放的尾气，这些含有大量的二氧化硫，二氧化碳，氮的氧化物等污染物的废气给环境和身体健康带来了严重的威胁。随着人们环境保护意识的加强，对有毒害气体(如氮氧化物)、易燃易爆气体(如乙醇、氢气、甲醛)和室内有机易挥发性气体(如二甲苯、甲醛)的快速智能检测提出了更高的要求。

检测所用的气体传感器通常以气敏特性来分类：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。其中的半导体气体传感器是当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器。

传统的半导体电阻式气体传感器一般用金属氧化物为气敏材料，利用待测气体与金属氧化物表面接触时，气体分子在薄膜表面进行还原反应导致传感器电导率的变化来对气体进行检测，测量方式简单、灵敏度高，操作方便等特点，但该类传感器的不足之处在于存在交叉干扰，多种气体会在薄膜表面同时发生还原反应，从而降低了对单一气体的敏感性。

因此，需提供一种新型的气敏材料解决上述问题。

技术实现要素：

为满足现有技术的缺陷，本发明利用气敏材料的不同形貌来改善气敏性，可有效提高元件的灵敏度和响应时间，降低被测气体的化学吸附的活性能，提高气体传感器的灵敏度和加快反应速度。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种一氧化碳气体传感器，所述传感器包括al2o3衬底(1)、pd金属叉指电极(3)和au粒子表面修饰的zno微球体(2)。

优选的，所述金属叉指电极的宽度和间距均为0.15～0.20mm，厚度为100nm～150nm。

优选的，所述金属叉指电极的宽度和间距均为0.18mm，厚度为120nm。

一种一氧化碳气体传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗带有pd金属叉指电极的al2o3衬底，

后依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗pd金属叉指电极，干燥；

(2)制备zno微球：

(3)用au修饰zno微球；

(4)制备气体传感器。

优选的，步骤(1)中所述超声清洗时间为5～10min；所述干燥温度为100～120℃。

优选的，所述制备zno微球包括如下步骤：

a、电磁搅拌无水乙醇,甘油和去离子水至少30分钟得到混合溶剂，

b、向上述混合溶液中加入六水硝酸锌和尿素搅拌10～30分钟后在150～220℃下反应10～12h

c、冷却至室温后，将用去离子水离心得到的固体生成物干燥煅烧，得zno微球。

优选的，所述无水乙醇,甘油和去离子水的体积比为50～100：60～110：80～120。

优选的，在300～500℃下煅烧3～5小时。

优选的，所述用au修饰zno微球包括如下步骤：

d、在去离子水中超声处理zno微球10-20分钟后,搅拌下用氯酸金和氨水溶液处理3～5h,

e、在300～500℃下对离心干燥后得到的固体煅烧1～3小时，得au修饰的zno微球；

优选的，所述氯酸金为1.5～2ml；所述氨水为1～2ml。

优选的，所述制备气体传感器包括如下步骤：

f、au修饰的zno微球颗粒20～30分钟研磨后滴入去离子水研磨至浆料黏稠，

g、将涂覆所述浆料的pd金属叉指电极在60～80℃下烘干，得微纳颗粒敏感层，

h、最后老化24～72小时，得气体传感器。

优选的，所述老化在40％rh的相对湿度、20～35℃温度和40～80ma的直流电下进行。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

本发明通过au粒子表面修饰以zno为基体的微球体提供了特殊形貌的敏感材料，增大了气敏材料的比表面积，改善了气体传感器的气敏性能，使传感器对单一气体的敏感性大幅提高。

本发明通过叉指电极的使用，增加了电极与技术氧化物材料的接触面积，提高了导电率，从而能够获得更优化的检测数据；迂回电阻同样也增加了和感应材料的面积，加速了气体分子的氧化过程，在100ppmco浓度下,该传感器的响应时间为7秒,响应恢复时间为9秒,缩短了响应时间和响应恢复时间。

本发明提供的制备方法具有过程简单、价格低廉等特点，可在工业化生产中广泛应用。

附图说明：

图1：实施例2所制备的au修饰的zno片状微球颗粒气体传感器的sem形貌图；

图2：本发明实施例2所制备器件结构示意图；

图3：本发明实施例2制备的au修饰的zno片状微球颗粒的xrd图；

图4：本发明实施例2所制备的器件对co浓度下的响应恢复时间图；对应的响应恢复时间为7s和9s。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，a、b图为zno片状微球的结构；c图为au修饰后的zno片状微球。微球结构没有发生变化，但是在表面有一些小粒子存在,之后的表征可以进一步证明小粒子为au粒子。

如图2所述，本发明制备器件的结构从下至上依次由al2o3衬底(1)、pd金属叉指电极(3)和au粒子表面修饰的zno微球体(2)组成。

实施例1基于au修饰zno片状微球的co气体传感器的制备：

(1)、pd金属插指电极的处理

首先依次用丙酮、乙醇和去离子水棉球擦拭带有宽度和间距为0.15mm、厚度为100nmpd金属插指电极的al2o3衬底至干净，再将pd金属插指电极依次用丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗5分钟，最后在100℃环境下干燥；

(2)、zno片状微球的制备

室温条件下，首先将无水乙醇,甘油和去离子水混合，电磁搅拌30分钟得到混合溶剂，然后向20毫升上述混合溶剂中，加入六水硝酸锌和尿素，并继续搅拌10分钟；溶剂中无水乙醇,甘油和去离子水的体积比为50：60：80：然后将得到的溶液转移到反应釜中，在150℃下反应10h,冷却至室温后将生成的白色产物用去离子水离心清洗，室温下干燥后再在300℃下煅烧3小时，从而得到zno片状微球；

(3)、au修饰方法

将10mg的zno片状微球加入到15ml去离子水中,超声10分钟,加入1.5ml的氯酸金和1ml氨水,室温条件下搅拌3h,离心干燥后,在300℃下煅烧1小时，从而得到au修饰的zno片状微球；

(4)、气敏传感器的制备

将干燥后的au修饰的zno片状微球颗粒放入研钵中，研磨20分；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨20分，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的浆料，涂覆在pd金属插指电极上，然后将其在60℃条件下烘干，得到厚度为2μm的2微纳颗粒敏感层；最后在相对湿度为40％rh、温度为20℃的环境中，在40ma的直流电下老化24小时，从而得到au修饰的zno片状微球颗粒为敏感层、以pd为金属插指电极的气体传感器。

实施例2

(1)、pd金属插指电极的处理

首先依次用丙酮、乙醇和去离子水棉球擦拭带有宽度和间距为0.18mm、厚度为120nmpd金属插指电极的al2o3衬底至干净，再将pd金属插指电极依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗7分钟，最后在110℃环境下干燥；

(2)、zno片状微球的制备

室温条件下，首先将无水乙醇,甘油和去离子水混合，电磁搅拌45分钟得到混合溶剂，然后向30毫升上述混合溶剂中，加入六水硝酸锌和尿素，并继续搅拌20分钟；溶剂中无水乙醇,甘油和去离子水的体积比为80：90：100：然后将得到的溶液转移到反应釜中，在190℃下反应11h,冷却至室温后将生成的白色产物用去离子水离心清洗，室温下干燥后再在400℃下煅烧4小时，从而得到zno片状微球；

(3)、au修饰方法

将15mg的zno片状微球加入到17ml去离子水中,超声15分钟,加入1.8ml的氯酸金和1.5ml氨水,室温条件下搅拌4h,离心干燥后,在400℃下煅烧2小时，从而得到au修饰的zno片状微球；

(4)、气敏传感器的制备

将干燥后的au修饰的zno片状微球颗粒放入研钵中，研磨25分；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨25分，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的浆料，涂覆在pd金属插指电极上，然后将其在70℃条件下烘干，得到厚度为3μm的2微纳颗粒敏感层；最后在相对湿度为40％rh、温度为30℃的环境中，在60ma的直流电下老化40小时，从而得到au修饰的zno片状微球颗粒为敏感层、以pd为金属插指电极的气体传感器。

实施例3

(1)、pd金属插指电极的处理

首先依次用丙酮、乙醇和去离子水棉球擦拭带有宽度和间距为0.20mm、厚度为150nmpd金属插指电极的al2o3衬底至干净，再将pd金属插指电极依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗10分钟，最后在120℃环境下干燥；

(2)、zno片状微球的制备

室温条件下，首先将无水乙醇,甘油和去离子水混合，电磁搅拌60分钟得到混合溶剂，然后向40毫升上述混合溶剂中，加入六水硝酸锌和尿素，并继续搅拌30分钟；溶剂中无水乙醇,甘油和去离子水的体积比为100：110：120：然后将得到的溶液转移到反应釜中，在220℃下反应12h,冷却至室温后将生成的白色产物用去离子水离心清洗，室温下干燥后再在500℃下煅烧5小时，从而得到zno片状微球；

(3)、au修饰方法

将20mg的zno片状微球加入到20ml去离子水中,超声20分钟,加入2ml的氯酸金和2ml氨水,室温条件下搅拌5h,离心干燥后,在500℃下煅烧3小时，从而得到au修饰的zno片状微球；

(4)、气敏传感器的制备

将干燥后的au修饰的zno片状微球颗粒放入研钵中，研磨30分；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨30分，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的浆料，涂覆在pd金属插指电极上，然后将其在80℃条件下烘干，得到厚度为4μm的2微纳颗粒敏感层；最后在相对湿度为40％rh、温度为35℃的环境中，在80ma的直流电下老化72小时，从而得到au修饰的zno片状微球颗粒为敏感层、以pd为金属插指电极的气体传感器。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。