CN1012016B - 乙醇、二氧化氮双敏薄膜气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是检测乙醇和二氧化氮双敏薄膜气体传感器。主要应用在汽车电子化、环境污染和气体分析等领域。采用等离子体增强化学气相淀积技术，制备Fe₂O₃-TiO₂-SnO₂复合薄膜敏感材料，其元件结构为旁热式，气体最低检出浓度为5ppm以下，它具有灵敏度高、响应快、恢复时间短和易进行大批批量生产等特点。

Description

本发明属于检测乙醇（C₂H₅OH）和二氧化氮（NO₂）气体的双敏薄膜气体传感器。

随着现代工业的发展和信息科学的进步，作为摄取信息的功能部件-传感器，在国内外，受到普遍的重视。传感技术的发展将会引起一场新的工业革命，气体传感器是一个重要的分支，它广泛地应用于国防建设、工业生产、交通控制、灾害报警、医疗监护、人工智化、生命与宇宙科学领域。

目前，实用化的乙醇气体传感器，主要是以SnO₂、ZnO和Fe₂O₃为基体和贵重金属材料，在高温下灼烧合成，通常称为烧结型气敏元件，其元件的参数离散性大，生产重复性和选择性不好，生产工艺落后等。传感器的发展趋势是薄膜型、多功能和集成化。二氧化氮传感器正处于研究阶段，人们主要利用有机化合物钛菁、吡咯、单分子膜（LB膜）和氧化物半导体SnO₂等材料，研究对NO₂的敏感特性，最近，有人用四氰基对苯醌二甲烷络合铜（Cu-TCNQ）的有机薄膜材料研制了NO₂气体传感器，本人使用多层结构无机功能薄膜材料研制NO₂气体传感器。

本发明在上述研究的基础上，经过长期反复实验发现，采用等离子体增强化学气相淀积（PECVD）技术，将四氯化锡、四氯化 钛和五羰基铁等反应气体，通入含氧等离子体的反应室中，在200℃下。制备了三氧化二铁-二氧化钛-二氧化锡（Fe₂O₃-TiO₂-SnO₂）多层结构薄膜材料，淀积在玻璃、陶瓷和生长二氧化硅的硅片等绝缘材料上，第一层为Fe₂O₃，厚度为0.05～0.1μm，第二层为TiO₂，厚度为0.04～0.08μm，第三层为SnO₂，厚度为0.08～0.15μm，用涂覆金浆等方法制成信号电极引线，然后将电极引线焊接在管座上，压帽便制成了各种形状、结构薄膜气体传感器，其传感器在150～250℃下工作，元件的管芯结构和测试线路，如图1、2所示。C₂H₅OH-NO₂薄膜气体传感器的工作条件：加热电压V_H为2.5～6V，信号电压源V_S为6～10V，负载电阻R_L为2KΩ。在常规测试条件下，定义检测乙醇的灵敏度为S＝Vg₁/V₀，检测二氧化氮气体的灵敏度-S＝V₀/Vg₂，公式中V₀表示在空气中测量负载电阻上的电压值，Vg₁表示在乙醇气体中负载电阻上的电压值Vg₂表示在二氧化氮气体中负载电阻上的电压值，典型的检测气体灵敏度S和加热电压V_H的关系曲线，如图3所示。当检测气体浓度为300PPm时，灵敏度为5～70，响应时间小于3秒，恢复时间小于8秒，对NO₂和C₂H₅OH气体的最低检出浓度为5PPm以下。

本发明双敏薄膜气体传感器的突出特点是：在相同测试条件下，既可以检测乙醇气体，又可以检测二氧化氮气体，不受丁烷、液化气、城市煤气、汽油、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气和二氧化硫等气体干扰。既使是C₂H₅OH-NO₂的混和气体，也能通过调节薄膜气体传感器的工作温度（加热电压V_H）进行检测。它具有检测速度快、灵敏度高、选择性好和易进行大批量生产等特点。

附图说明

图1    管芯结构剖面图

1、P

引线 2、Au电极

3、绝缘衬底    4、加热丝

5、Fe₂O₃6、TiO₂7、SnO₂

图2    测量电路图

1、传感器 2、数字电压表V_X

图3 检测灵敏度S与加热电压V_H关系图

1、乙醇    2、汽油

3、丁烷    4、二氧化氮

Claims (2)

1、本发明是一种乙醇-二氧化氮双敏薄膜气体传感器，由金属氧化物薄膜和惰性绝缘基底构成，其特征在于所述金属氧化物薄膜是复合薄膜材料，由三层金属氧化物构成，按顺序分别是三氧化二铁、二氧化钛和二氧化锡层，在二氧化锡层的二端分别设有金电极和铂引线，在绝缘基底层下设有加热丝或加热电阻、提供传感器的工作温度。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的惰性绝缘基底层是陶瓷、玻璃和生长有二氧化硅的硅片。所述的三氧化二铁层厚度为500～1000

，二氧化钛层厚度为400～800 ，二氧化锡厚度为800～1500

。

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