CN102095759A - 一种基于y型沸石薄膜材料的神经元有害气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子气敏器件技术领域，涉及到一种基于Y型沸石薄膜材料的神经元有害气体传感器，特别涉及到该气体传感器的沸石敏感薄膜的制备方法。其特征是在传感器中，先将Y型沸石薄膜沉积到SiO2或者Al2O3基板上，然后再将金叉指电极打印到沸石薄膜顶面；传感器的工作温度在250到350摄氏度范围内；传感器信号是在1-1MHz之间扫描的阻抗谱图在流动空气和以空气为背景的神经元有害气体的氛围下的变化；传感器的实时监测信号是在固定频率下，传感器阻抗值的变化。本发明的效果和益处是，相对于报道的块体材料传感器，利用沸石薄膜材料制备的传感器表现出更好的，更灵敏的对神经元有害气体的模拟试剂甲基磷酸二甲酯的感应性能。
Description
技术领域
本发明属于电子气敏器件技术领域，涉及到一种基于Y型沸石薄膜材料的神经元有害气体传感器。特别涉及到该气体传感器的沸石敏感薄膜的制备方法。
背景技术
沸石材料是一种重要的工业材料，广泛的应用于工业催化，分子筛以及化学传感器中。在化学气体传感器应用方面，前期的工作主要是利用其催化性能来提高传感器的选择性能。直到最近，人们才开始研究直接利用其离子导电的电性能开发气体传感器。其传感器的基本结构是在具有铂或者金叉指电极的Si基板或者Al2O3基板上，利用丝网印刷技术沉积ZSM5型沸石材料的厚膜。开发的传感器主要用于氨气和碳氢化合物的检测。国内上海交通大学的黄宜平教授也尝试了利用喷墨打印的方法，将13X型的沸石厚膜涂覆在具有叉指电极的Si基板上，所制备的传感器在所施加的低频下表现出一定的对神经元有害气体的模拟试剂甲基磷酸二甲酯(DMMP)感应性能，但其选择性能较差，归其原因在于较低频率下，其感应信号主要来源于金属电极和13X敏感材料间的界面，故而没有充分利用沸石微孔这一独特结构。美国俄亥俄州立大学的Li和Dutta等人将Y型沸石压制成块体，所制备的传感器在3000Hz的频率下工作，发现传感器表现出良好的对DMMP的感应性能和对多种常见气体的选在性。但其传统的块体结构设计，使其表面积大大降低，感应信号强度较低，传感器经过20分钟后，对约100ppm的DMMP的信号变化不超过8％，最佳的灵敏度仅为0.09/ppm，不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Y型沸石薄膜材料的神经元有害气体传感器。本发明要解决的技术问题是利用磁控溅射或者射频溅射的方法将Y型沸石薄膜沉积在SiO2或者Al2O3不导电基板上，利用具有高比表面积的沸石薄膜取代块体沸石材料，从而获得更好的对神经元有害气体模拟试剂甲基磷酸二甲酯的感应信号。
本发明的技术方案是首先利用磁控溅射或者射频溅射的方法将Y型沸石薄膜沉积在SiO2或者Al2O3不导电基板上。附图1和2分别给出了所制备薄膜典型的XRD和表面微观形貌表征。最后，利用丝网印刷技术在上述获得的沸石薄膜表面上印刷如附图3中所示的金叉指电极。得到最终的沸石薄膜气敏传感器。
本发明的效果和益处是，相对于报道的块体材料传感器，利用沸石薄膜材料制备的传感器表现出更好的，更灵敏的对神经元有害气体的模拟试剂甲基磷酸二甲酯的感应性能。同时，相对于文献中报道的先在基板上印刷叉指电极，后沉积沸石膜的技术，本发明将电极沉积在薄膜之上，这样避免了由基板带来的对传感器工作时的不利影响。
附图说明
附图1是制备的沸石薄膜的X射线衍射图。
附图2是制备的沸石薄膜表面微观结构扫描电镜图。
附图3是金叉指电极示意图。
图中：A 0.2mm；B 0.2mm。
附图4是传感器在320℃时对约100ppmDMMP的阻抗谱响应图。
图中：1传感器在流动空气中的阻抗谱曲线；2传感器在背景为空气，约100ppm DMMP浓度氛围中经过10分钟后的阻抗谱曲线；3传感器在背景为空气，约100ppm DMMP浓度氛围中经过40分钟后的阻抗谱曲线。
附图5是传感器在320℃，固定频率在3000Hz下，感应信号随不同浓度的DMMP的变化图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
在SiO2或者Al2O3制备上制备Y型沸石薄膜材料。利用磁控溅射或者射频溅射的方法将Y型沸石薄膜沉积在SiO2或者Al2O3不导电基板上，获得要制备的Y型沸石薄膜的种子薄膜。然后将沉积有种子薄膜的SiO2或者Al2O3基板一起放入到装有Y型沸石颗粒悬浊胶体的Teflon容器中，接着将Teflon容器密封并置入高温高压釜中，在100℃条件下恒温水热处理8-24个小时。然后取出具有处理后的种子薄膜的基板并将其在500-700℃之间进行2-4个小时的退火处理，获得最终的沸石薄膜。薄膜厚度控制在0.1微米到1微米之间。Y型沸石颗粒悬浊胶体的制备如下：首先将Al(OH)3，TMAOH，Ludox SM-3硅酸盐溶液和NaOH原料按照摩尔比为1∶3∶3∶2的比例混合，搅拌获得粘稠胶体，然后将胶体陈化3-7个小时。将所制备的胶体放进一个Teflon容器内，在密封静止条件下加热到100℃后，恒温3-7天即得到所需的Y型沸石颗粒悬浊胶体。
制备传感器。利用丝网印刷技术，将金浆印刷到上述获得的沸石薄膜表面上，获得附图3所示的金叉指电极。金叉指电极的线宽度是200微米，线与线之间的宽度为200微米。
传感器的测试。将所制备传感器置于一流动空气气氛下，并将传感器元件加热到其工作温度范围在250-350℃之间，然后引入甲基磷酸二甲酯气体分子。通过利用交流阻抗谱仪测量传感器在给定频率范围内(1-106Hz)所获得的阻抗谱在空气和在以空气为背景的DMMP氛围下的变化，作为传感器的信号。附图4给出了典型的所制备的传感器在约为100ppm的氛围下，传感器阻抗谱的变化情况。传感器经过10分钟后，传感器电阻变化(即感应信号)达到22％，相对于块体沸石传感器，传感器信号增加2倍多。附图5给出了在固定所施加的频率为3000Hz情况下，所测得传感器阻抗变化值(传感器信号)与浓度之间的关系，传感器表现出线性感应性能，其灵敏度达到0.25/ppm，是传统块体材料的近3倍。
Claims (2)
1.一种基于Y型沸石薄膜材料的神经元有害气体传感器，其特征是在传感器中，先将Y型沸石薄膜沉积到SiO2或者Al2O3基板上，然后再将金叉指电极打印到沸石薄膜顶面；传感器的工作温度在250-350℃范围内；传感器信号是在1-106Hz之间扫描的阻抗谱图在流动空气和以空气为背景的神经元有害气体的氛围下的变化；传感器的实时监测信号是在固定频率下，传感器阻抗值的变化。
2.一种沸石薄膜制备方法，其特征是首先利用磁控或者射频溅射方法在基板上沉积一层沸石材料，然后将其置入到相应的胶体溶液中进行水热处理。
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