CN102692430A - 一种室温环境工作的一氧化碳气敏传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种可在室温环境下工作的半导体氧化物气敏传感器的制造工艺，特别是一种通过静电纺丝制备的氧化锌纳米纤维作为气敏膜的一氧化碳气敏传感器的制备方法，先通过静电纺丝技术制备出无纺布结构的有机/无机纳米复合纤维膜，再经过烧结后得到纯净的氧化锌气敏膜；然后在氧化锌气敏膜上连接电极，采用常规技术封装后制备出氧化锌一氧化碳气敏传感器；其优点一是可在室温下工作，使用寿命长，体积小，结构简单；二是采用静电纺丝法制备的氧化锌纳米纤维薄膜因其多晶颗粒结构增大了比表面积，提高了气敏传感器的灵敏度和响应速度；三是静电纺丝法制备工艺简单、生产成本低、重复性好。

Description

一种室温环境工作的一氧化碳气敏传感器的制备方法

技术领域：

本发明属于传感器技术领域，涉及一种可在室温环境下工作的半导体氧化物气敏传感器的制造工艺，特别是一种通过静电纺丝制备的氧化锌纳米纤维作为气敏膜的室温环境工作的一氧化碳气敏传感器的制备方法。

背景技术：

静电纺丝技术是最近二十年发展起来的一种简便、适用范围广的制备微纳米纤维的方法，利用强静电场将带电的纺丝溶液射流拉伸成直径为几个微米至几个纳米的超细纤维，除了高分子等有机材料，金属氧化物纳米纤维也可以通过静电纺丝方法进行制备，其工艺步骤如下：先将金属氧化物的前躯体溶液进行纺丝，制得有机/无机复合纳米纤维，然后将复合纤维在高温下烧结，去除有机成分，最后得到金属氧化物纳米纤维。一般来说，现有的这种方法制备的无机纳米纤维是多晶结构，孔隙率和比表面积比较大，因此在化学和气体传感器、催化材料、电池和电容的电极材料等诸多领域有广阔应用前景，例如，中国专利（申请号:CN201010231182和CN201010547382）公开了基于电纺纳米多孔金属氧化物（例如二氧化钛TiO₂）纤维膜气体传感器的制备方法；中国专利（申请号:CN201010577103）采用有序排列的In₂O₃纳米纤维制备超快响应酒精半导体传感器；中国专利（申请号:CN201010540888和CN201110276677）也公开了基于电纺陶瓷基（例如钛酸钡BaTiO₃）纳米纤维的快速响应湿敏传感器；此外，中国专利（申请号:CN201110195804）公开了一种采用电纺技术制备的氧化锌ZnO空心纳米纤维作为气敏材料的丙酮气敏传感器；上述公开的技术均存在着不同的缺点。

气敏传感器是一种检测特定气体传感器，例如一氧化碳气体传感器。一氧化碳是一种无色、无味、易燃、易爆、危险的有毒气体，吸入人体后会与血液中的血红蛋白结合，引起组织缺氧，过多吸入甚至会导致人体窒息死亡。在我国农村或偏远城市中，每年的煤气中毒事件时有发生，其罪魁祸首就是一氧化碳，因此设计高灵敏度的一氧化碳传感器具有重要现实意义。中国专利（专利号:ZL00265004.5）公开了一种电化学一氧化碳气敏传感器。常用的基于金属氧化物的一氧化碳传感器通常需要在较高温度下（例如300℃左右）才具有较高灵敏度，过高的工作温度使得传感器件相对复杂、成本较高，适用范围受限。要克服现有的一氧化碳气敏传感器工作温度高的缺点，设计制备一种基于电纺氧化锌纳米纤维膜的无需加热装置的一氧化碳气敏传感器，实现传感器的体积小，使用寿命长，成本低和材料的比表面积大的优点，并提高对一氧化碳气体的灵敏度和响应速度。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计制备一种基于电纺氧化锌纳米纤维膜、可在室温环境条件下工作的一氧化碳气敏传感器，其纳米纤维无纺布结构增加了气敏膜的比表面积、更大的表面活性和吸附能力，提高传感器的灵敏度和响应速度。

为了实现上述目的，本发明先通过静电纺丝技术制备出无纺布结构的有机/无机纳米复合纤维膜，再经过烧结后得到纯净的氧化锌气敏膜；然后在氧化锌气敏膜上连接电极，采用常规技术封装后制备出氧化锌一氧化碳气敏传感器；其具体工艺包括纺丝溶液配制、纳米纤维膜制备、传感器组装和传感器性能测试四个步骤：

纺丝溶液配制：先将醋酸锌与去离子水按1.5：2的重量比混合后磁力搅拌，形成醋酸锌溶液，再将聚乙烯醇与去离子水按1：9的重量比混合于95℃水浴加热搅拌均匀待冷却后缓慢倒入醋酸锌溶液中，磁力搅拌至均匀即得纺丝溶液；

纳米纤维膜制备：采用静电纺丝技术制备氧化锌/聚乙烯醇复合纳米纤维膜，先用一次性滴管吸取纺丝溶液滴入针管中，将直流电源的正极与针管针尖电连接，电源负极连接铝箔；将铝箔放在针尖下方5-15厘米处作为接收极，接通20千伏直流电压即能在铝箔上收集到氧化锌/聚乙烯醇纳米纤维膜，将收集到的纳米纤维膜置于马弗炉中500℃烧结20~30分钟得氧化锌纳米纤维膜，去除聚乙烯醇后氧化锌纳米纤维膜变为连续的多晶颗粒项链结构；

传感器组装：将氧化锌纳米纤维膜固定在二氧化硅、玻璃或塑料的绝缘基片上，构成气敏响应层，然后用银胶或铟在气敏响应层的两端各制有宽度为1~2毫米的电极，用两根细铜线做引线，并将引线固定，把两个电极固连的气敏响应层与调节变阻器并联，在两个并联节点两端间接入电压源和电流表，采用常规工艺封装后引出并联节点，即构成氧化锌纳米纤维膜结构的一氧化碳气敏传感器；

传感器性能测试：将一氧化碳气敏传感器放入常规的气敏测试装置中并连接好，在两个并联节点两端间接入电压源和电流表，测试前先向气敏测试装置中充满氮气以排除空气，开通电源待气敏响应层电流稳定后进行测试；测试分为充气和放气两个过程，充气过程中停止氮气供给，向气敏测试装置中充入一氧化碳；放气过程中停止一氧化碳供给，向气敏测试装置中充入氮气，充放气周期为8分钟，其中充气、放气各4分钟，测试在20伏电压下进行，重复2-10个周期，并用计算机记录氧化锌气敏传感特性曲线；充气过程中随着一氧化碳的浓度逐渐增大到250ppm时，传感器电流明显增大，放气过程中随一氧化碳的浓度逐渐减小，传感器电流明显减小，可看到传感器具有响应快、重复性强、灵敏度高的特性。

本发明与现有技术相比的优点在于：一是传感器可在室温下工作，使用寿命长，体积小，结构简单；二是采用静电纺丝法制备的氧化锌纳米纤维薄膜因其多晶颗粒结构增大了比表面积，提高了气敏传感器的灵敏度和响应速度；三是与现有的制备方法相比，静电纺丝法制备工艺简单、生产成本低、重复性好。

附图说明：

图1为本发明涉及的一氧化碳气敏传感器结构原理示意图，其中包括绝缘基片1、气敏响应层2、电极3和变阻器4。

图2为本发明涉及的氧化锌纳米纤维膜的扫描电镜SEM照片。

图3为本发明的传感器对在室温下浓度为250ppm的一氧化碳气体的响应曲线。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步说明。

实施例：

本实施例包括纺丝溶液配制、纳米纤维膜制备、传感器组装和传感器性能测试四个工艺步骤：

纺丝溶液配制：先将1.5克醋酸锌与2克去离子水混合后磁力搅拌，形成醋酸锌溶液，再将2克聚乙烯醇与18克去离子水混合于95℃水浴加热搅拌均匀待冷却后缓慢倒入醋酸锌溶液中，磁力搅拌至均匀即得纺丝溶液；

纳米纤维膜制备：采用静电纺丝技术制备氧化锌/聚乙烯醇复合纳米纤维膜，先用一次性滴管吸取2毫升纺丝溶液滴入5毫升针管中，将直流电源的正极与针管针尖电连接，电源负极连接铝箔；将铝箔放在针尖下方5、10或15厘米处作为接收极，接通20千伏直流电压即能在铝箔上收集到氧化锌/聚乙烯醇纳米纤维膜，将收集到的纤维膜置于马弗炉中500℃烧结20~30分钟得氧化锌纳米纤维膜，去除聚乙烯醇后氧化锌纤维变为连续的多晶颗粒项链结构；图1为烧结后的氧化锌纳米纤维薄膜的扫描电镜SEM照片；

传感器组装：将氧化锌纳米纤维薄膜固定在二氧化硅、玻璃或塑料绝缘基片1上，构成气敏响应层2（如图2所示），然后用银胶或铟在气敏响应层的两端加工好宽度为1~2毫米的电极3，用两根细铜线做引线，并将引线固定，把两个电极固连的气敏响应层2与调节变阻器4并联，在两个并联节点A和B两端间接入电压源和电流表，采用常规工艺封装后引出并联节点A和B，即构成氧化锌纳米纤维薄膜的一氧化碳气敏传感器；

传感器性能测试：将一氧化碳气敏传感器放入常规的气敏测试装置中并连接好，在两个并联节点A和B两端间接入电压源和电流表，测试前先向气敏测试装置中充满氮气以排除空气，开通电源待气敏响应层2电流稳定后进行测试；测试分为充气和放气两个过程，充气过程中停止氮气供给，向气敏测试装置中充入一氧化碳；放气过程中停止一氧化碳供给，向气敏测试装置中充入氮气，充放气周期为8分钟，其中充气、放气各4分钟，测试在20伏电压下进行，重复2-10个周期，并用计算机记录氧化锌气敏传感特性曲线，如图3所示；充气过程中随着一氧化碳的浓度逐渐增大到250ppm时，传感器电流明显增大，放气过程中随一氧化碳的浓度逐渐减小，传感器电流明显减小，可看到传感器具有响应快、重复性强、灵敏度高的特性。

Claims (1)

1.一种室温环境工作的一氧化碳气敏传感器的制备方法，其特征在于先通过静电纺丝技术制备出无纺布结构的有机/无机纳米复合纤维膜，再经过烧结后得到纯净的氧化锌气敏膜；然后在氧化锌气敏膜上连接电极，采用常规技术封装后制备出氧化锌一氧化碳气敏传感器；其具体工艺包括纺丝溶液配制、纳米纤维膜制备、传感器组装和传感器性能测试四个步骤：

纺丝溶液配制：先将醋酸锌与去离子水按1.5：2的重量比混合后磁力搅拌，形成醋酸锌溶液，再将聚乙烯醇与去离子水按1：9的重量比混合于95℃水浴加热搅拌均匀待冷却后缓慢倒入醋酸锌溶液中，磁力搅拌至均匀即得纺丝溶液；

纳米纤维膜制备：采用静电纺丝技术制备氧化锌/聚乙烯醇复合纳米纤维膜，先用一次性滴管吸取纺丝溶液滴入针管中，将直流电源的正极与针管针尖电连接，电源负极连接铝箔；将铝箔放在针尖下方5-15厘米处作为接收极，接通20千伏直流电压即能在铝箔上收集到氧化锌/聚乙烯醇纳米纤维膜，将收集到的纳米纤维膜置于马弗炉中500℃烧结20~30分钟得氧化锌纳米纤维膜，去除聚乙烯醇后氧化锌纳米纤维膜变为连续的多晶颗粒项链结构；

传感器组装：将氧化锌纳米纤维膜固定在二氧化硅、玻璃或塑料的绝缘基片上，构成气敏响应层，然后用银胶或铟在气敏响应层的两端各制有宽度为1~2毫米的电极，用两根细铜线做引线，并将引线固定，把两个电极固连的气敏响应层与调节变阻器并联，在两个并联节点两端间接入电压源和电流表，采用常规工艺封装后引出并联节点，即构成氧化锌纳米纤维膜结构的一氧化碳气敏传感器；

传感器性能测试：将一氧化碳气敏传感器放入常规的气敏测试装置中并连接好，在两个并联节点两端间接入电压源和电流表，测试前先向气敏测试装置中充满氮气以排除空气，开通电源待气敏响应层电流稳定后进行测试；测试分为充气和放气两个过程，充气过程中停止氮气供给，向气敏测试装置中充入一氧化碳；放气过程中停止一氧化碳供给，向气敏测试装置中充入氮气，充放气周期为8分钟，其中充气、放气各4分钟，测试在20伏电压下进行，重复2-10个周期，并用计算机记录氧化锌气敏传感特性曲线；充气过程中随着一氧化碳的浓度逐渐增大到250ppm时，传感器电流明显增大，放气过程中随一氧化碳的浓度逐渐减小，传感器电流明显减小，可看到传感器具有响应快、重复性强、灵敏度高的特性。

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