用于甲烷检测的传感器及其制备方法与流程

本发明属于气体检测，涉及用于甲烷检测的传感器及其制备方法。

背景技术：

1、为了如期实现“碳达峰、碳中和”的预期目标，需要对甲烷的排放进行着力管控，使用甲烷传感器有利于提高甲烷监测系统的稳定性和可靠性。甲烷传感器分为四种，分别是：光学吸收传感器、半导体传感器、气体浓度传感器和红外传感器。其中，半导体传感器响应速度较快，价格较为实惠，且适用于大规模应用以及需要定期更换传感器的场合，是目前应用最为广泛的传感器，但是其测量准确度和灵敏度相比其他种类的传感器较低。为此，研究者们大力致力于气敏层材料的开发以期提高半导体类型的传感器的精确度和灵敏度，从而能够快速、准确的进行甲烷的检测。

2、申请号为2019103035819的专利公开了一种g-c3n4/zno气敏材料，其为片层状堆积结构。其中，g-c3n4占g-c3n4/zno的质量分数为1％。将该气敏材料涂覆于金电极包覆的al2o3陶瓷管表面制成气敏传感元件时能够应用于甲烷的检测中。申请号为2020100065533的专利公开了一种用于甲烷检测的nio气敏材料，该气敏材料包括nio多孔棒气敏材料和nio纳米颗粒气敏材料。其对甲烷具有良好的敏感特性，在制造新型高效气体传感器方面具有广阔的应用前景。

3、然而采用上述材料作为甲烷传感器的气敏层的材料时，存在使用温度高，常温敏感度低等问题，从而不适用于实际环境中对甲烷的监测。因此，有必要开发新的气敏层材料，并将其用于甲烷传感器的制备中以实现在常温环境中对甲烷的快速且灵敏的检测。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于甲烷检测的传感器；本发明的目的之二在于提供一种用于甲烷检测的传感器的制备方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1.一种用于甲烷检测的传感器，所述传感器包括衬底、叉指电极和敏感层，所述敏感层的材料为具有核壳结构的复合材料1或具有核壳结构的复合材料2中的任意一种；

4、所述具有核壳结构的复合材料1中以未掺杂任何元素的氧化锌纳米棒阵列为核，以石墨烯为壳；

5、所述具有核壳结构的复合材料2中以掺杂金属元素的氧化锌纳米棒阵列为核，以石墨烯为壳；所述金属元素为mn、cu、ru、al、ag、mg、ga、co、ni、fe或ce中的任意一种或几种；按质量百分含量计，所述金属元素的掺杂量为0.01％～20％。

6、优选的，所述衬底的材料为二氧化硅、硅、蓝宝石或陶瓷中的任意一种；所述叉指电极的材料为金。

7、2.所述用于甲烷检测的传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

8、(1)采用掩膜光刻工艺在衬底表面制备叉指电极区域，然后采用物理气相沉积法在所述叉指电极区域中沉积制备叉指电极，获得叉指电极/衬底组件；

9、(2)采用物理气相沉积法在步骤(1)中所述叉指电极/衬底组件中叉指电极的表面上沉积制备薄膜，然后采用化学气相沉积法将所述薄膜转变为纳米棒阵列，最后采用等离子体气相沉积法在所述纳米棒阵列的表面上沉积制备石墨烯，获得敏感层/叉指电极/衬底组件；

10、所述薄膜为未掺杂任何元素的氧化锌薄膜或掺杂金属元素的氧化锌薄膜中的任意一种；

11、所述金属元素为mn、cu、ru、al、ag、mg、ga、co、ni、fe或ce中的任意一种或几种；按质量百分含量计，所述金属元素的掺杂量为0.01％～20％；

12、(3)将步骤(2)中所述敏感层/叉指电极/衬底组件中敏感层置于惰性气氛中进行退火处理，获得经处理的敏感层/叉指电极/衬底组件，再对所述经处理的敏感层/叉指电极/衬底组件进行封装保护，即可获得用于甲烷检测的传感器。

13、优选的，步骤(1)中所述叉指电极中正极和负极的间距为10～1000μm；所述叉指电极的间距为10～5000μm。

14、优选的，步骤(2)中所述薄膜的厚度为0.0005～100μm。

15、优选的，步骤(1)和(2)中所述物理气相沉积法包括溅射法或蒸镀法中的任意一种。

16、优选的，步骤(2)中所述化学气相沉积法具体包括以下步骤：将所述薄膜置于氢气和载气形成的混合气体1中，然后在压力为0.01～101.325kp、温度≥425℃的条件下反应30～40min；

17、所述载气为氩气或氮气中的任意一种；所述氢气在所述混合气体1中的质量百分含量为0.01％～100％。

18、优选的，步骤(2)中所述等离子体气相沉积法具体包括以下步骤：将所述纳米棒阵列置于氢气、载气和含碳有机气体形成的混合气体2中，然后在压力为0.01～101.325kp、等离子体发生装置的功率为150w的条件下反应5～300min；

19、所述载气为氩气或氮气中的任意一种；所述含碳有机气体为甲烷、乙烯或乙炔中的任意一种；所述氢气在所述混合气体2中的质量百分含量为0.1％～99.9％；所述含碳有机气体在所述混合气体2中的质量百分含量为0.01％～100％。

20、优选的，步骤(3)中所述退火处理的温度为200～600℃、时间为0.5～24h。

21、优选的，步骤(3)中所述封装保护中封装材料为环氧树脂或聚四氟乙烯中的任意一种。

22、本发明的有益效果在于：1、本发明提供了一种用于甲烷检测的传感器。该传感器的敏感层的材料具有核壳结构。其以石墨烯为壳，以未掺杂任何元素的氧化锌纳米棒阵列或掺杂金属元素的氧化锌纳米棒阵列为核(金属元素为mn、cu、ru、al、ag、mg、ga、co、ni、fe和ce中的任意一种或几种，金属元素的掺杂量为0.01％～20％)。将氧化锌基纳米棒与石墨烯复合后，材料中载流子输运优先经过石墨烯薄膜进行，降低了载流子被复合掉的几率，减弱了载流子复合效应。以该材料为敏感层构建的甲烷传感器，在室温下即可实现对甲烷气体的灵敏识别。

23、2、本发明还提供了一种用于甲烷检测的传感器的制备方法。该制备方法简单、易操作、成本低且适合扩大化生产。

24、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种用于甲烷检测的传感器，所述传感器包括衬底、叉指电极和敏感层，其特征在于：所述敏感层的材料为具有核壳结构的复合材料1或具有核壳结构的复合材料2中的任意一种；

2.根据权利要求1所述的用于甲烷检测的传感器，其特征在于：所述衬底的材料为二氧化硅、硅、蓝宝石或陶瓷中的任意一种；所述叉指电极的材料为金。

3.权利要求1或2任一项所述的用于甲烷检测的传感器的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述叉指电极中正极和负极的间距为10～1000μm；所述叉指电极的间距为10～5000μm。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述薄膜的厚度为0.0005～100μm。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)和(2)中所述物理气相沉积法包括溅射法或蒸镀法中的任意一种。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述化学气相沉积法具体包括以下步骤：将所述薄膜置于氢气和载气形成的混合气体1中，然后在压力为0.01～101.325kp、温度≥425℃的条件下反应30～40min；

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述等离子体气相沉积法具体包括以下步骤：将所述纳米棒阵列置于氢气、载气和含碳有机气体形成的混合气体2中，然后在压力为0.01～101.325kp、等离子体发生装置的功率为150w的条件下反应5～300min；

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述退火处理的温度为200～600℃、时间为0.5～24h。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述封装保护中封装材料为环氧树脂或聚四氟乙烯中的任意一种。

技术总结
本发明涉及用于甲烷检测的传感器及其制备方法，属于气体检测技术领域。该传感器包括衬底、叉指电极和敏感层。其中，敏感层的材料为复合材料，具体以石墨烯为壳，以未掺杂任何元素的氧化锌纳米棒阵列或掺杂0.01％～20％金属元素的氧化锌纳米棒阵列为核(金属元素为Mn、Cu、Ru、Al、Ag、Mg、Ga、Co、Ni、Fe或Ce中的任意一种或几种)。以该材料为敏感层构建的甲烷传感器，在室温下即可实现对甲烷气体的快速、灵敏检测。其制备方法简单、易操作、成本低且适合工业化生产。

技术研发人员：熊桂洪,余家燕,蒋昌潭
受保护的技术使用者：重庆市生态环境监测中心
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31