钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器、制备方法及其应用
【专利摘要】一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其在室内环境中检测乙醇蒸汽方面的应用，属于气体传感器技术领域。传感器由正面带有2个分立的L形金电极、背面带有氧化钌加热层及在氧化钌加热层表面带有2个分立的矩形金电极的Al2O3绝缘陶瓷板、涂覆在L形金电极和Al2O3绝缘陶瓷板正面的钴离子掺杂的二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料薄膜组成。钴离子的掺入，一方面改变了二氧化锡氧化物半导体纳米纤维的形貌特征；另一方面减少了二氧化锡材料中的电子浓度，从而提高传感器的灵敏度。
【专利说明】
钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器、制备方法及其应用
技术领域
[0001]本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其在室内环境中检测乙醇蒸汽方面的应用。
【背景技术】
[0002]近年来，大气环境污染的加剧、工业/家庭安全事故的频发、食品/药品质量的恶劣以及在医疗、社会福利、化石能源、军工和航空/航天等领域的急需，传感器作为获取信息的手段，将处于信息技术发展的前沿，会受到广泛的关注和商业化应用。虽然在氧化物半导体气体传感器的研究上已经获得了很大的进步，但是为了满足其在各检测领域的使用要求，仍需进一步提高传感器的灵敏度、选择性和降低工作温度。
[0003]事实上，围绕着提高氧化物半导体传感器灵敏度的研究一直在不断地深化，尤其是纳米科学技术的发展为改善传感器性能提供了很好的契机。研究表明，气敏材料的识别功能、转换功能和敏感体利用率决定着氧化物半导体传感器的敏感程度。人们发现通过异质掺杂剂掺杂的半导体氧化物复合材料能够显著地改善传感器的灵敏度。这主要是因为掺杂异质金属离子可以提高传感材料的载流子迀移率，从而提升了其“转换功能”，其次，有些异质金属掺杂剂可以作为催化剂使发生在半导体氧化物表面相应的氧化还原反应得到催化，可以提高传感器的选择性，改善了传感材料的“识别功能”。基于这点，开展异质金属掺杂的氧化物半导体的设计和制备，对于扩大气体传感器的应用具有十分重要的科学意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于静电纺丝技术制备的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其在室内环境中检测乙醇蒸汽方面的应用。本发明通过对半导体材料进行掺杂，增加传感器的灵敏度，提高传感器的响应速度，改善传感器的重复性，促进此种传感器在气体检测领域的实用化。
[0005]本发明所得到的传感器除了具有较高的灵敏度外，并具有较好的重复性和长期稳定性。该传感器的检测下限为2ppm，可用于室内环境中乙醇蒸汽含量的检测。
[0006]如图1所示，本发明所述钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器，由正面带有2个分立的L形金电极5、背面带有氧化钌加热层3及在氧化钌加热层3表面带有2个分立的矩形金电极6的AI2O3绝缘陶瓷板1、涂覆在L形金电极5和AI2O3绝缘陶瓷板I正面的半导体敏感材料薄膜2组成;每个L形金电极5和矩形金电极6都各自焊接有I条铂线4，通过测量与2个L形金电极5焊接的两条铂线间的电阻可以获得两个L形金电极间的电阻，而通过与矩形金电极6焊接的铂线4可以对氧化钌加热层3施加电压，给Al2O3绝缘陶瓷板I进行加热;根据灵敏度S的定义S = Ra/Rg，通过测量RjPRg，经计算可得到传感器的灵敏度;其特征在于:半导体敏感材料为钴掺杂的二氧化锡氧化物半导体纳米纤维，钴离子和锡离子的摩尔比为0.01?0.05:1;该敏感材料是采用静电纺丝技术制备，经煅烧后热压在L形金电极5和Al2O3绝缘陶瓷板I的正面;钴离子的掺入，一方面改变了二氧化锡氧化物半导体纳米纤维的形貌特征；另一方面减少了二氧化锡材料中的电子浓度，从而提高传感器的灵敏度。此外，平板式传感器和氧化物半导体的制作工艺简单，利于工业上批量生产。二氧化锡以及钴掺杂的二氧化锡纳米纤维的直径80-100nm，长度为5-40微米。
[0007]本发明所述的一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的乙醇传感器的制备方法，其步骤如下:
[0008]I)首先将0.02?0.1Ommol CoCl6、2mmol SnCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在5mL无水乙醇和5mL二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌4?8小时形成溶胶；
[0009]2)把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为13?15cm，喷丝口和收集板间施加电压为10?15kV，收集板接地，纺丝2?5小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物；
[0010]3)将上述纳米电纺丝产物在450?500°C下煅烧2?5小时得到钴掺杂二氧化锡半导体氧化物纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在市售的正面带有2个分立的L形金电极
5、背面带有氧化钌加热层3及在氧化钌加热层3表面带有2个分立的矩形金电极6的绝缘Al2O3陶瓷板I的正面，并使敏感材料完全覆盖L形金电极5，然后在200?260 °C下热压15?30分钟，形成10?30μπι的敏感材料薄膜2;陶瓷板的长为I.3?I.7mm，宽为0.8?I.3mm，厚为
0.08?0.12mm;
[0011]4)将步骤3)得到的绝缘Al2O3陶瓷板I在500?550°C烧结2?4小时，最后将上述器件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的乙醇传感器。
[0012]本发明的优点:
[0013](I)传感器利用常见的N型半导体材料二氧化锡，它们具有良好的电导率和化学稳定性；
[0014](2)利用掺杂了钴离子的二氧化锡可以使传感器的灵敏度显著提高，促进其实用化，在国内外未见报道；
[0015](3)钴掺杂二氧化锡纳米纤维是利用静电纺丝技术制作，制作方法简单，造价低廉利于批量化的工业生产。
【附图说明】
[0016]图1:钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器的结构示意图；
[0017]图1(a)为传感器正面示意图；图1(b)传感器背面示意图；
[0018]图2:对比例、实施例1、实施例2和实施例3中传感器在不同工作温度对10ppm乙醇的灵敏度对比曲线；
[0019]图3:对比例和实施例2的乙醇浓度一灵敏度的标准工作曲线。
[0020]如图1所示，各部件名称为=Al2O3绝缘陶瓷板I;半导体敏感材料2;氧化钌加热层3;铂线4;L形金电极5;矩形金电极6。
[0021]图2为对比例和实施例1、2、3所制作的器件对10ppm乙醇的灵敏度随工作温度的变化曲线。从图中可以看出，对比例的最佳工作温度为2750C，此时灵敏度为9.49;实施例1的最佳工作温度为300 °C，此时灵敏度为22.26;实施例2的最佳工作温度为300 °C，此时灵敏度分别为40.1;实施例3的最佳工作温度为325°C，此时灵敏度分别为5.55。在最佳工作温度下，实施例2的灵敏度最高，约为对比例灵敏度的4倍。由此可见，通过掺入钴离子可以改善敏感材料与乙醇的反应效率，进而得到了一个具有高灵敏度的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器。
[0022]图3为对比例和实施例2在300°C的乙醇浓度一灵敏度的标准工作曲线。灵敏度测试方法:首先将传感器放入气体箱，通过与传感器连接的电流表测得此时铂线两端的电阻，得到传感器在空气中的电阻值即Ra;然后使用微量进样器向气体箱中注入2?100ppm的乙醇，通过测量得到传感器在不同浓度乙醇中的电阻值即Rg，根据灵敏度S的定义公式S = Ra/Rg，通过计算得到不同浓度下传感器的灵敏度，最终得到乙醇浓度一灵敏度的标准工作曲线。从图中可以看出，该传感器的检测下限为2ppm，此时对比例和实施例2的灵敏度分别为
1.2和1.92;乙醇浓度为100ppm时，此时的灵敏度分别为60.74和228。
[0023]实际测量时可通过上述办法测得Ra、Rg，得到灵敏度值后与乙醇浓度一灵敏度的标准工作曲线进行对比，从而得到环境中的乙醇含量。另外，如图所示当气体浓度较小(〈200ppm)时，传感器灵敏度的线性较好，这些特点使该种乙醇传感器能够很好的能够应用于室内环境中乙醇气体的检测。
【具体实施方式】
[0024]对比例:
[0025]以二氧化锡纳米纤维作为敏感材料制作平板式乙醇传感器，其具体的制作过程:
[0026]1.首先将2mmol SnCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在5mL无水乙醇和5mL 二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌4小时形成溶胶；
[0027]2.把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为13cm，喷丝口施加电压为1kv，收集板接地，纺丝3小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物；
[0028]3.将上述纳米电纺丝产物在500°C下煅烧3小时得到二氧化锡纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在市售的外表面自带有2个L形金电极5的绝缘Al2O3陶瓷板I的正面，使用热压机在200 °C热压15分钟，形成20μπι的敏感材料薄膜2，陶瓷板的长为1.5mm，宽为1.0mm，高为0.1mm，并使敏感材料完全覆盖L形金电极5;
[0029]4.把绝缘Al2O3陶瓷板I在500°C烧结3小时；最后将上述器件按照通用平板式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器。
[0030]实施例1:
[0031]以钴离子/锡离子的摩尔比为0.01:1的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体作为敏感材料制作乙醇传感器，其制作过程为
[0032]1.首先将0.02mmol CoCl6、2mmol SnCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在5mL无水乙醇和5mL二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌4小时形成溶胶；
[0033]2.把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为13cm，喷丝口施加电压为1kv，收集板接地，纺丝3小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物；
[0034]3.将上述纳米电纺丝产物在500°C下煅烧3小时得到钴掺杂二氧化锡纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在市售的外表面自带有2个L形金电极5的绝缘Al2O3陶瓷板I的正面，使用热压机在200°C热压15分钟，形成20μπι的敏感材料薄膜2，陶瓷板的长为1.0mm，外径为1.5mm，并使敏感材料完全覆盖L形金电极5;
[0035]4.把绝缘Al2O3陶瓷板I在500°C烧结3小时；最后将上述器件按照通用平板式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器。
[0036]实施例2:
[0037]以钴离子/锡离子的摩尔比为0.03:1的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体作为敏感材料制作乙醇传感器，其制作过程为
[0038]1.首先将0.06mmol CoCl2、2mmol SnCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在5mL无水乙醇和5mL二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌4小时形成溶胶；
[0039]2.把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为13cm，喷丝口施加电压为1kv，收集板接地，纺丝3小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物；
[0040]3.将上述纳米电纺丝产物在500°C下煅烧3小时得到钴掺杂二氧化锡纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在市售的外表面自带有2个L形金电极5的绝缘Al2O3陶瓷板I的正面，使用热压机在200°C热压15分钟，形成20μπι的敏感材料薄膜2，陶瓷板的长为1.0mm，外径为1.5mm，并使敏感材料完全覆盖L形金电极5;
[0041]4.把绝缘Al2O3陶瓷板I在500°C烧结3小时；最后将上述器件按照通用平板式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器。
[0042]实施例3:
[0043]用钴离子/锡离子的摩尔比为0.05:1的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体作为敏感材料制作乙醇传感器，其制作过程为
[0044]1.首先将0.lmmol CoCl2、2mmol SnCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在5mL无水乙醇和5mL二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌4小时形成溶胶；
[0045]2.把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为13cm，喷丝口施加电压为13kv，收集板接地，纺丝3小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物；
[0046]3.将上述纳米电纺丝产物在500°C下煅烧3小时得到钴掺杂二氧化锡纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在市售的外表面自带有2个L形金电极5的绝缘Al2O3陶瓷板I的正面，使用热压机在200°C热压15分钟，形成20μπι的敏感材料薄膜2，陶瓷板的长为1.0mm，外径为1.5mm，并使敏感材料完全覆盖L形金电极5;
[0047]4.把绝缘Al2O3陶瓷板I在500 °C烧结3小时；最后将上述器件按照通用平板气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器。
【主权项】
1.一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器，由正面带有2个分立的L形金电极(5)、背面带有氧化钌加热层(3)及在氧化钌加热层(3)表面带有2个分立的矩形金电极(6)的Al2O3绝缘陶瓷板(1)、涂覆在L形金电极(5)和Al2O3绝缘陶瓷板(I)正面的半导体敏感材料薄膜(2)组成;其特征在于:半导体敏感材料为钴掺杂的二氧化锡氧化物半导体纳米纤维，钴离子和锡离子的摩尔比为0.01?0.05:1;该敏感材料是采用静电纺丝技术制备，经煅烧后热压在L形金电极(5)和Al2O3绝缘陶瓷板(I)的正面。2.如权利要求1所述的一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器，其特征在于:所述的Al2O3绝缘陶瓷板的长为1.3?1.7mm，宽为0.8?1.3mm，厚为0.08?0.12mm。3.如权利要求1所述的一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器，其特征在于:二氧化锡以及钴掺杂的二氧化锡纳米纤维的直径80?lOOnm，长度为5?40微米。4.权利要求1、2或3所述的一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器的制备方法，其步骤如下: 1)首先将0.02?0.lmmol CoCl2、2mmol SnCl2、Ig聚乙烯吡咯烷酮溶解在5mL无水乙醇和5mL二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌4?8小时形成溶胶； 2)把上述溶胶装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为13?15cm，喷丝口和收集板间施加电压为10?15kV，收集板接地，纺丝2?5小时后，在收集板上得到纳米电纺丝产物； 3)将上述纳米电纺丝产物在450?500°C下煅烧2?5小时得到钴掺杂二氧化锡半导体氧化物纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在绝缘Al2O3陶瓷板(I)的正面，并使敏感材料完全覆盖L形金电极(5)，然后在200?260°C下热压15?30分钟，形成10?30μπι的敏感材料薄膜(2); 4)将步骤3)得到的绝缘Al2O3陶瓷板(I)在500?550°C烧结2?4小时，最后将上述器件进行焊接和封装，从而得到乙醇传感器。5.权利要求1?3任何一项所述的一种基于静电纺丝技术获得的钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器在室内环境中对乙醇蒸汽检测方面的应用。
【文档编号】G01N27/12GK105866189SQ201610223398
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】卢革宇, 寇雪莹, 孙彦峰, 孙鹏, 梁喜双, 高原, 揣小红
【申请人】吉林大学