CN101281159B - 纳米氧化锌多功能气敏传感器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米氧化锌多功能气敏传感器件及其制作方法，气敏传感器件采用旁热式器件结构，以氧化铝陶瓷管为载体，外表面敷有叉状金电极，两端有铂金丝引出电极，陶瓷管内有加热丝，陶瓷管外涂附有气敏材料，所述气敏材料是片状多孔结构的纳米氧化锌粉体。把涂附片状多孔结构的纳米氧化锌粉体的氧化铝陶瓷管在200～400℃下烧结，制成管芯，再按照旁热式器件常规工艺，将管芯进行焊接、封装、电老化，制成气敏传感器件。本发明的气敏传感器件可在不同工作温度范围内检测氯苯和乙醇。

Description

纳米氧化锌多功能气敏传感器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种多功能气敏传感器件及其制作方法。

背景技术

近年来的研究表明，持久性有机污染物不仅对于自然环境下的生物代谢、光降解、化学分解等具有很强的抵抗能力，而且容易在脂肪组织中发生生物蓄积，引发″三致″效应(致癌、致畸、致突变)，并且能够导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调，对生态环境和人体健康造成不可逆转的严重危害。因此对持久性有机污染物的及时检测和防止就显得尤其重要。其中，氯苯就是常见的一种持久性有机污染物。据文献资料报道，氯苯通常需要采用气相色谱法进行分析和检测。虽然仪器检测具有灵敏度高、准确性强等优点，但由于仪器体积庞大、价格昂贵，而且测试准备工作繁琐，不利于现场实时检测，因而其应用受到了限制。因此如何快速、实时地检测氯苯成为摆在人们面前的一个难题。半导体金属氧化物气敏传感器由于具备灵敏度高、响应快，体积小，制作简单等优点被广泛的应用。目前，开发新的气敏材料和新的气敏传感器，使传感器更加微型化和多功能化，已成为国内外半导体气敏传感器发展的主要方向之一。现今国内外市场上开发生产的气敏传感器，大多是单一型的传感器，即仅能在一定工作温度下对某一种气体有响应。针对这一现状，多功能气敏传感器的探索研究和开发推广将会有很大的市场前景。

发明内容

本发明提供了一种以片状多孔结构的纳米氧化锌为气敏材料基材，制作工艺简单的多功能气敏传感器件及其制作方法。

本发明的多功能气敏传感器件，采用旁热式器件结构，以氧化铝陶瓷管为载体，外表面敷有叉状金电极，两端有铂金丝引出电极；陶瓷管内有加热丝，陶瓷管外涂附有气敏材料，所述气敏材料是片状多孔结构的纳米氧化锌粉体。

所述片状多孔结构的纳米氧化锌粉体的制备可参考CN101177296(200710114004.2)“片状多孔结构的ZnO纳米粉体的制备方法”。该ZnO纳米粉体为六方相的片状多孔结构，属于六方晶系。

优选的，上述的加热丝是一根镍铬合金线圈，安置在陶瓷管内，用以加热陶瓷管。

所述气敏材料层厚度在微米数量级即可。

本发明多功能气敏传感器件的制作方法，步骤如下：

(1)氧化铝陶瓷管依次用去离子水、丙酮清洗干净，晾干备用。

(2)将气敏材料片状多孔结构的纳米氧化锌粉体研细，加入去离子水调成糊状浆料。

(3)把步骤(2)的浆料均匀涂抹在步骤(1)的氧化铝陶瓷管上，然后在200～400℃下烧结，使敏感层致密并且与陶瓷管接合紧致牢固，制成管芯。

(4)按照旁热式器件常规工艺，将步骤(3)中敷有气敏材料的氧化铝陶瓷管芯进行焊接、封装、电老化，制成气敏传感器件。

将制成的气敏传感器件，在一定工作温度下用HW-30A型气敏测试仪测试气敏传感器件的性能，测试气氛采用静态配气法进行测定。

测试系统采用电流电压测试法，基本测试原理如图2所示。提供气敏元件加热电源V_h，回路电源V_c，通过测试气敏元件串联的负载电阻R₁的电压V_out来反映气敏元件的特性，元件的加热电压可在较大范围内调节，负载电阻为可换插卡式。传感器在不同的阻值R与R₁和V_out的关系为：R＝(10-V_out)R₁/V_out，当器件阻值变化时，可用取样电阻、电压变化来表示。元件在所测气体中的电阻Rg与在空气中电阻Ra之比定义为灵敏度S，即S＝Rg_{(待测气体气氛中)}/Ra_{(洁净空气中)}。

本发明的气敏传感器件的技术特点如下：

1、仅仅通过改变传感器件的工作温度，就能够检测氯苯和乙醇，实现气敏传感器件的多功能化。即在150℃＜T＜250℃温度范围内，用于氯苯的检测；而在250℃＜T＜450℃温度范围内，用于乙醇的检测。

2、本发明的气敏传感器件制作简单、性能稳定，灵敏度高、选择性好。在上述工作温度下，对其他常见气体，如一氧化碳、甲烷、氨气、汽油等均不敏感。

3、实验证明采用本发明的片状多孔结构的纳米氧化锌粉体作敏感材料，可成功制作这种特殊的多功能气敏传感器件。而其他的纳米氧化锌粉体作为敏感材料则没有多功能气敏特性。

与现有技术相比，本发明的优良效果如下：

气敏传感器性能的优劣，主要取决于气敏材料的性能。本发明使用片状多孔结构的纳米氧化锌作为气敏材料基材，制作出的气敏传感器件灵敏度高、选择性好，特别是解决了氯苯的快速检测的难题；本发明是以片状多孔结构的纳米氧化锌为基材制作出的气敏传感器件，可在不同工作温度范围内检测氯苯和乙醇，不但能在较低的工作温度下检测氯苯，还能够在较高的工作温度下检测乙醇。

附图说明

图1是气敏基材片状多孔结构的纳米氧化锌的电镜扫描照片。

图2是气敏性能检测电路。其中，V_h：操作电压；V_c：电路电压；R₁：负载电阻；V_out：信号电压。Sensor：传感器件

图3旁热式气敏传感器件示意图。1.氧化铝陶瓷管，2.铂丝电极，，3.叉状金电极，4.加热丝，5.气敏材料。

图4是本发明多功能气敏传感器件对100ppm氯苯和乙醇在不同工作温度下的灵敏度变化曲线。

图5是本发明多功能气敏传感器件分别在200℃和380℃时，对不同浓度的乙醇和氯苯的响应—恢复曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：片状多孔ZnO纳米粉体的制备

(1)将二水合醋酸锌原料溶于水中，配制0.1M的醋酸锌溶液，取该醋酸锌溶液25mL于烧瓶中，在磁力搅拌下，滴加0.2M尿素溶液25mL，得混合液。

(2)将步骤(1)得到的混合液烧瓶置于微波炉内，650W的功率下反应45min，反应温度为75℃，得的混浊液。

(3)将步骤(2)所得的混浊液过滤，洗涤，干燥，得到碱式碳酸锌前驱物。

(4)将步骤(3)所得碱式碳酸锌前驱物置于450℃马弗炉中焙烧2h，得片状多孔ZnO纳米粉体。片状多孔结构的纳米氧化锌的扫描电镜照片如图1。

实施例2：多功能气敏传感器件及制作方法

(1)选用内径为1.6mm，外径为2mm，长约8mm的氧化铝陶瓷管为载体，其表层敷有叉状金电极，两端有铂金丝引出电极。依次用去离子水、丙酮清洗干净，晾干备用。

(2)称取大约5mg实施例1合成的片状多孔结构的纳米氧化锌粉体，研细后，加少量去离子水调成糊状，均匀涂附在上述氧化铝陶瓷管上。敏感层厚度在微米数量级。

(3)将(2)中的氧化铝陶瓷管置于350℃马弗炉内烧结2h，制成管芯。

(4)将一根镍铬加热丝或其他加热丝放入上述管芯内，并按照旁热式器件常规工艺进行焊接。将电极上的铂丝引线和镍铬加热丝分别焊在底座的相应位置上，最后将防爆网固定在底座上封装成型。结构如图3所示。将封装好的传感器件进行电老化120小时后，用HW-30A型气敏测试仪测定气敏传感器件的性质。

通过调整加热功率，改变工作温度，测试该气敏传感器件在不同温度下对100ppm的氯苯和乙醇的灵敏度如图4所示。发现：随着工作温度的升高，氯苯的灵敏度也不断升高，在200℃达到最大值，随后灵敏度下降；而乙醇的灵敏度从250℃开始明显升高，在380℃达到最大值，随后灵敏度下降。因此，氯苯的最佳工作温度范围确定在150℃＜T＜250℃；乙醇的最佳工作温度范围确定在250℃＜T＜450℃。

在200℃和380℃最佳工作温度下，分别测试100～250ppm的氯苯和乙醇的响应变化情况。当测试气体浓度从100ppm增大到200ppm时，电压响应随之增大，而当测试气体浓度继续增大时，则电压响应趋向于饱和。如图5所示。

从该气敏传感器件对100ppm的两种气体的响应—恢复曲线，可知：氯苯的响应和恢复时间分别为103s和22s；乙醇的响应和恢复时间分别为32s和17s。

Claims (2)

1.一种气敏传感器件，采用旁热式器件结构，以氧化铝陶瓷管为载体，外表面敷有叉状金电极，两端有铂金丝引出电极，陶瓷管内有加热丝，陶瓷管外涂附有气敏材料，所述气敏材料是片状多孔结构的纳米氧化锌粉体；所述的加热丝是镍铬合金线圈；

是按以下方法制作而成的：

(1)氧化铝陶瓷管依次用去离子水、丙酮清洗干净，晾干备用；

(2)将气敏材料片状多孔结构的纳米氧化锌粉体研细，加入去离子水调成糊状浆料；

(3)把步骤(2)的浆料均匀涂抹在步骤(1)的氧化铝陶瓷管上，然后在200～400℃下烧结，制成管芯；

(4)按照旁热式器件常规工艺，将步骤(3)制得的管芯进行焊接、封装、电老化，制成气敏传感器件。

2.权利要求1所述的气敏传感器件的应用，在150℃＜T＜250℃温度范围内，用于氯苯的检测；在250℃＜T＜450℃温度范围内，用于乙醇的检测。

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