一种高灵敏度多气体检测的气敏传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器领域，具体涉及一种高灵敏度多气体检测的气敏传感器。
【背景技术】
[0002]随着工业的发展、人民生活水平的提高以及对环境保护日益重视，人们对大气污染、工业废气的监控以及人居环境空气质量的检测都提出了更高的要求。金属氧化物纳米材料因其具有气敏特性可应用于传感器制造，日益受到重视。
[0003]专利CN200710130714.4公开了一种甲醛气体传感器，该传感器的气体感测层是通过溅镀或蒸镀氧化镍制成，对甲醛的灵敏度为470 Ω /ppm,但对甲醇和乙醇灵敏度仅为200 Ω /ppm和150 Ω /ppm,对苯几乎没有响应，而且制备工艺复杂，成本高。
[0004]专利CN201410766708.8公开了一种以N1纳米管作为敏感材料制作的旁热式甲苯传感器，其对浓度为5?10ppm甲苯的灵敏度(Rg/Ra)仅为I?1.3。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有以氧化镍为气敏材料的传感器灵敏度差的问题，提供一种高灵敏度多气体检测的气敏传感器。
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下:
一种高灵敏度多气体检测的气敏传感器，所述气敏传感器是以纳米氧化镍为气敏材料，其特征在于，所述纳米氧化镍是通过包括如下步骤得到:
(1)采用三电极体系在ITO玻璃上电化学沉积镍:工作电极为ITO玻璃，辅助电极为Ni，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为硫酸镍水溶液；
(2)步骤(I)沉积镍后的ITO玻璃在空气气氛下于350?380°C处理60?90min，冷却，超声处理，得到具有玫瑰花状形貌的所述纳米氧化镍。
[0007]进一步，电化学沉积时，电流密度为-0.2?-0.7mA/cm2，沉积时间为200?400s。
[0008]进一步，电解液中硫酸镍的浓度为0.04?0.05mol/Lo
[0009]进一步，所述电解液的pH为4?7。
[0010]进一步，所述ITO玻璃的表面电阻为8?ΙΟΩ/cm2。
[0011]进一步，所述气敏传感器为旁热式气敏传感器。
[0012]上述气敏传感器用于检测醇类、酮类、醛类、苯类气体。
[0013]进一步，所述醇类气体为甲醇、乙醇、丙醇等；所述醛类气体为甲醛、乙醛等；所述酮类气体为丙酮等；所述苯类气体苯、甲苯、二甲苯等。
[0014]本发明的有益效果:
与现有以纳米氧化镍作为气敏材料的气敏传感器相比，本发明的气敏传感器可显著提高对气体的检测灵敏度，特别是浓度低至20ppm以下的灵敏度。
[0015]本发明工艺简单，成本低，产品转化能力高，易于批量生产，功耗低，无污染，与环境友好。
【附图说明】
[0016]图1为本发明所得纳米氧化镍的X-射线衍射谱图(XRD)。
[0017]图2为本发明所得纳米氧化镍的扫描电子显微镜(SEM)照片(图(a)ITO衬底上生长出的纳米颗粒；(b)从衬底上分离下来的纳米颗粒)。
[0018]图3为旁热式气敏传感器的结构示意图。
[0019]图4为本发明气敏传感器对不同浓度的乙醇气体的气敏响应曲线。
[0020]图5为本发明气敏传感器对不同浓度的乙醇气体的灵敏度曲线。
[0021]图6为本发明气敏传感器对不同浓度的丙酮气体的气敏响应曲线。
[0022]图7为本发明气敏传感器对不同浓度的丙酮气体的灵敏度曲线。
[0023]图8为本发明气敏传感器对不同浓度的甲苯气体的气敏响应曲线。
[0024]图9为本发明气敏传感器对不同浓度的甲苯气体的灵敏度曲线。
[0025]图10为本发明气敏传感器对不同浓度的甲醛气体的气敏响应曲线。
[0026]图11为本发明气敏传感器对不同浓度的甲醛气体的灵敏度曲线。
[0027]图12为本发明气敏传感器对不同气体(5ppm)的气敏响应曲线。
[0028]图13为本发明所得纳米氧化镍的透射电子显微镜(TEM)照片。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030]实施例1
(一)纳米氧化镍的制备
1.依次用去脂剂、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗ITO玻璃衬底(表面电阻8.5Ω/cm2)各15?20min，70°C烘干待用；
2.电解液:将1.85g NiSO4.6Η20溶于150mL去离子水，在室温下磁力搅拌2?3 h，调节pH至5，静置24 h待用；
3.构建三电极体系:工作电极为ITO玻璃(IcmX2 cm)，辅助电极为纯度99.9%的Ni网(2 cmX3 cm)，参比电极为饱和甘汞电极；
4.电化学沉积:极化方式为恒电流极化，电流密度为-0.7mA/cm2;沉积时间为250s ;沉积后在ITO表面呈深灰色，即Ni原子层。
[0031]5.将沉积有Ni原子层的ITO玻璃置于恒温加热平台上，在空气中加热至380°C，恒温氧化90 min，然后自然冷却至室温，ITO表面变成淡绿色半透明状，相应的XRD如图1所示，图13为粉末的TEM照片，表明在ITO表面得到为N1 ；
6.将步骤5)的ITO玻璃置于去离子水中超声处理，使N1分散到去离子水中，然后收集洗液烘干，得到粉末，图2 (b)为粉末的SEM照片，可以看出，N1呈玫瑰花状，直径约400 ?550 nm。
[0032](二)旁热式气敏传感器的制作
如图3所示，旁热式气敏传感器一般包括绝缘层、气敏层、电极和加热丝。先将步骤(I)制得的玫瑰花状纳米N1粉末用乙二醇按质量比为1:2调配成粘稠液，然而将粘稠液均匀涂覆在陶瓷管外壁，加热至80°C，干燥50min，得到N1纳米气敏层，冷却后，按照通用旁热式气敏元件进行封装。
[0033]由图4和图5可以看出，本发明的气敏传感器对浓度为0.5ppm的乙醇气体的灵敏度(Rg/Ra)可达到 3.4 (83.1K Ω/ppm);在浓度为 5ppm 时，灵敏度为 7.3 (25.4 ΚΩ/ppm)；在浓度为1ppm时，灵敏度为9.4 (21.7 K Ω/ppm)，工作温度介于200~250°C之间。
[0034]由图6和图7可以看出，本发明的气敏传感器对浓度为Ippm的丙酮气体的灵敏度(Rg/Ra)可达到 3.4 (58.2 K Ω/ppm);在浓度为 5ppm 时，灵敏度为 5.3 (15.4 ΚΩ/ppm);在浓度为1ppm时，灵敏度为7.2 (12.8 K Ω/ppm)，工作温度介于230~270°C之间。
[0035]由图8和图9可以看出，本发明的气敏传感器对浓度为Ippm的甲苯气体的灵敏度(Rg/Ra)可达到 7.05 (84.7 K Ω/ppm);在浓度为 5ppm 时，灵敏度为 11.3 (30.28 ΚΩ/ppm);在浓度为1ppm时，灵敏度为13.6 (18.44K Ω/ppm);在浓度为25ppm时，灵敏度为20.8 (11.95ΚΩ/ρρπι)，工作温度介于 210~270°C之间。
[0036]由图10和图11可以看出，本发明的气敏传感器对浓度为0.05ppm的甲醛气体的灵敏度(Rg/Ra)可达到1.44 (340ΚΩ/ΡΙΛ);在浓度为0.5ppm时，灵敏度为2.13 (80.1 ΚΩ/PPb)，工作温度介于220~280°C之间。
[0037]图12为本发明气敏传感器对浓度为5ppm的不同气体的气敏响应曲线。
[0038]实施例2
与实施例1不同在于，步骤(一)中，电解液pH为4，ITO玻璃的表面电阻为9 Ω /cm2,电化学沉积时电密度为-0.2mA/cm2、沉积时间400s，空气中加热氧化时温度370°C、恒温氧化60 min0
[0039]实施例3
与实施例1不同在于，步骤(一)中，1.75g NiSO4.6Η20/ 150mL水，电解液pH为7，ITO玻璃的表面电阻为10 Ω /cm2，电化学沉积时电密度为-0.5mA/cm2、沉积时间200s，空气中加热氧化时温度350°C、恒温氧化70 min。
[0040]本发明气敏传感器的结构并不局限于上述的旁热式结构，对于直热式结构也同样适用。
【主权项】
1.一种高灵敏度多气体检测的气敏传感器，所述气敏传感器是以纳米氧化镍为气敏材料，其特征在于，所述纳米氧化镍是通过包括如下步骤得到: (1)采用三电极体系在ITO玻璃上电化学沉积镍:工作电极为ITO玻璃，辅助电极为Ni，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为硫酸镍水溶液； (2)步骤(I)沉积镍后的ITO玻璃在空气气氛下于350?380°C处理60?90min，冷却，超声处理，得到具有玫瑰花状形貌的所述纳米氧化镍。2.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，电化学沉积时，电流密度为-0.2?-0.7mA/cm2，沉积时间为200?400s。3.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，电解液中硫酸镍的浓度为0.04?0.05mol/Lo4.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述电解液的pH为4?7。5.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述ITO玻璃的表面电阻为8?10 Ω /cm2。6.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述气敏传感器为旁热式气敏传感器。7.权利要求1所述气敏传感器用于检测醇类、酮类、醛类、苯类气体。8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，所述醇类气体为甲醇、乙醇、丙醇；所述醛类气体为甲醛、乙醛；所述酮类气体为丙酮；所述苯类气体苯、甲苯、二甲苯。
【专利摘要】本发明公开一种高灵敏度多气体检测的气敏传感器，所述气敏传感器是以纳米氧化镍为气敏材料，其特点在于，所述纳米氧化镍是通过包括如下步骤得到：（1）采用三电极体系在ITO玻璃上电化学沉积镍原子层：工作电极为ITO玻璃，辅助电极为Ni，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为硫酸镍水溶液；（2）步骤（1）沉积镍原子层后的ITO玻璃在空气气氛下于350～380℃处理60～90min，冷却，超声处理，得到具有玫瑰花状形貌的所述纳米氧化镍。与现有以纳米氧化镍作为气敏材料的气敏传感器相比，本发明的气敏传感器可显著提高对气体的检测灵敏度，特别是浓度低至20ppm以下的灵敏度。
【IPC分类】G01N27/00
【公开号】CN104897727
【申请号】CN201510264982
【发明人】李海蓉, 员朝鑫, 谢龙珍, 张勇, 向东旭, 邓恒, 王芳, 孙永哲, 常芳芝, 刘智多, 杨佳明
【申请人】兰州大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月22日