CN102978578A - 氧化铜掺杂的二氧化锡基的氨气气敏传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铜掺杂二氧化锡基的氨气气敏传感器的制备方法。本发明步骤如下：将纯度均为99.99%的Cu靶材和Sn靶材分别放在两个射频溅射靶上，将Al₂O₃陶瓷管放在样品托上；溅射前将系统抽为真空，直至系统的气压达到10^-3-10^-5Pa；打开氧气和氩气的气路阀门，使其保持在6×10⁰-3×10^-1Pa；预溅射10分钟后移开挡盘，同时将Sn靶的功率调到60-80W,Cu靶的功率调到20-60W，溅射45分钟；达到10⁵Pa时打开真空室取出样品；在马弗炉内，进行300℃-500℃退火1-3小时即成。本发明所制备出的气敏元件对氨气有很好的选择性,可在众多的混合气体中快速有效的检测出氨气。本发明制备出的气敏元件灵敏度高、响应恢复时间短。

Description

氧化铜掺杂的二氧化锡基的氨气气敏传感器的制备方法

技术领域

本发明属于一种气体传感元件,特别涉及一种以氧化铜（CuO）掺杂二氧化锡（SnO₂）为材料的薄膜型高选择性的氨气敏传感元件的制备方法。 

技术背景

氨气是一种工业应用广泛的有毒,无色,有刺激性恶臭味的气体,它对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用,常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上,从而产生刺激和炎症,严重时会危及生命。目前检测氨气的气敏传感器已被广泛运用于市政、消防、燃气、电信、石油、化工、煤炭、电力、制药、冶金、焦化、储运等行业。氨气传感器的主要参数是灵敏度、响应-恢复时间和选择性。 

金属半导体材料是最早应用于氨气传感器的一类材料,而且目前大部分的氨气传感器仍采用SnO₂半导体材料。该材料主要是依靠接触氨气前后的电导率变化进行检测,不少学者对单一的金属半导体材料进行掺杂改性,获得了不错的效果。但目前国内市售的氨气传感器存在灵敏度低、响应-恢复时间长等缺点。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供 一种工艺简单的氧化铜掺杂的二氧化锡基氨气气敏传感器的制备方法。此气体传感器对氨气有高选择性、高灵敏度和较短的响应-恢复时间。 

本发明氧化铜掺杂二氧化锡基的氨气气敏传感器的制备方法，步骤如下： 

（1）实验准备：检查气路，然后将电源打开，打开真空室，将纯度均为99.99%的Cu靶材和Sn靶材分别放在两个射频溅射靶上，将Al₂O₃陶瓷管放在样品托上，关闭真空室； 

（2）溅射前将系统抽为真空，过程如下：启动机械泵，机械泵对磁控溅射室进行抽气，当真空计指针达到1-30Pa时，启动分子泵，利用分子泵对磁控溅射室进行抽真空，直至系统的气压达到10^-3-10^-5Pa； 

（3）抽完真空后，打开氧气和氩气的气路阀门，向系统中通入体积比为：3:1-4:1的氩气和氧气，通过气体质量流量计控制真空室内的气体压力，使其保持在6×10⁰-3×10^-1Pa，在反应溅射过程中，氩气(Ar)为溅射气体、氧气(0₂)为反应气体； 

（4）溅射开始时在靶与基板之间放一挡盘，预溅射10分钟后移开挡盘，同时将Sn靶的功率调到60-80W,Cu靶的功率调到20-60W，溅射45分钟； 

（5）溅射完成后，向真空室充入氮气，达到10⁵Pa时打开真空室取出样品； 

（6）将上述样品在马弗炉内，进行300℃-500℃退火1-3小时， 在Al₂O₃陶瓷管表面形成所需的SnO₂薄膜，即形成氧化铜掺杂的二氧化锡基的氨气敏传感器。 

本发明采用物理成膜法（射频溅射法）制备气敏元件，与其它的制备方法相比更为先进。本发明所制备出的气敏元件对氨气有很好的选择性,对于其他常见气体(如甲醇,甲苯,丙酮,无水乙醇等)不敏感,可在众多的混合气体中快速有效的检测出氨气。本发明制备出的气敏元件灵敏度高、响应恢复时间短。 

本发明与现有技术相比有如下优点： 

1、在Al₂O₃陶瓷管上，用本发明所述的射频溅射法制备SnO₂薄膜，制作工艺简单，成膜质量好，重复性好。 

2、采用射频溅射法制备薄膜时，选择本发明中的工艺参数，可使气敏元件对氨气有高选择性、高灵敏度和较短的响应-恢复时间。 

本发明主要用途：在混合气体中，检测出氨气的存在。 

附图说明

图1所示为元件的结构； 

图2所示为测试电路； 

图3所示为气敏元件测试典型结果图。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。 

利用射频溅射法,选择合适的工艺参数(如溅射功率，退火温度，氩氧比等)在Al₂O₃陶瓷管表面制备SnO₂薄膜。Al₂O₃陶瓷管内置有加热丝，用以加热Al₂O₃陶瓷管。将加热丝和SnO₂膜上的铂金丝引出的电 极分别与引出回路和测试电路相连接，利用SnO₂薄膜电阻随环境中氨气浓度的变化而改变，便可测定氨气是否存在。元件表现出了只对氨气敏感的高选择性、高灵敏度和较短的响应-恢复时间的气敏特性。 

气敏元件的气敏特性通常用灵敏度来表征。灵敏度的定义为元件在大气气氛中的电阻值Rs与元件在一定浓度的被测气体气氛中的电阻值Rg与之比： 

$S=\frac{\mathrm{Rs}}{\mathrm{Rg}}$

灵敏度的测试方法：通过给元件中的电阻丝供电的方法，使电阻丝升温发热，从而将热量间接传导于Al₂O₃陶瓷管表面。将负载电阻R与元件电阻Rz相串联，其两端供给测试电压Vc。取R两端的电压为输出电压Vout。元件的电阻： 

在大气气氛下Rz＝Rs，在氨气气氛下，Rz＝Rg。 

本发明采用射频溅射法制备出了仅对氨气敏感的单选择性气敏元件,对于其他常见气体(如甲醇，丙酮，甲苯，无水乙醇等)不敏感,还可在众多的混合气体中,检测出氨气是否存在。它的工艺简单，具有良好的响应-恢复时间、高灵敏度和高选择性。 

实施例1. 

射频溅射法制备SnO₂薄膜：先对Al₂O₃陶瓷管用酒精进行清洗并干燥，然后将其放在样品托上。 

1、将纯度均为99.99%的Cu靶材与Sn靶材分别放在两个射频靶上。对系统进行抽真空，至系统气压接近10^-5Pa。 

2、抽完真空后向系统内通入氩氧比为3:1的氩气和氧气。 

3、开始溅射时要预溅射10分钟，在此过程中将Sn靶的功率调到80W,Cu靶的功率调到40W,溅射45分钟后取出样品。 

4、将溅射有SnO₂材料的Al₂O₃陶瓷管在500℃下退火3小时，以便在Al₂O₃陶瓷管表面形成所需的SnO₂薄膜，如图1所示，Al₂O₃陶瓷管1内置有加热丝4，用以加热Al₂O₃陶瓷管。将加热丝和SnO₂膜上的铂金丝2引出的电极分别与引出回路和测试电路（如图2所示）相连接，即形成氧化铜掺杂的二氧化锡基的氨气敏传感器（Al₂O₃陶瓷管表面用射频溅射法制备的薄膜3）。测试电路中Rz为敏感元件电阻，R为负载电阻，R依据Rz大小进行选择，Vc为测试回路供给电压。Vout为输出的测试电压，Vh为加热回路的供给电压，依据需要的加热温度进行选择。 

5、用HW－30A型气敏测试仪测定其气敏特性，测试结果如图3所示。 

当本发明的气敏元件工作温度为75℃时，其气敏测试结果如下：本项发明的气敏元件对氨气有单选择性，其响应时间为1秒，恢复时间为2秒，元件对氨气的灵敏度达到372.3，对甲醛等其他有气体不敏感。 

实施例2. 

射频溅射法制备SnO₂薄膜：先对Al₂O₃陶瓷管用酒精进行清洗并干燥，然后将其放在样品托上。 

1、将纯度均为99.99%的Cu靶材与Sn靶材分别放在两个射频靶上。对系统进行抽真空，至系统气压接近10^-5Pa。 

2、抽完真空后向系统内通入氩氧比为4:1的氩气和氧气。 

3、开始溅射时要预溅射10分钟，在此过程中将Sn靶的功率调到60W,Cu靶的功率调到30W,溅射45分钟后取出样品。 

4、将溅射有SnO₂材料的Al₂O₃陶瓷管在300℃下退火2小时，以便在Al₂O₃陶瓷管表面形成所需的SnO₂薄膜，如图1所示，Al₂O₃陶瓷管内置有加热丝，用以加热Al₂O₃陶瓷管。将加热丝和SnO₂膜上的铂金丝引出的电极分别与引出回路和测试电路（如图2所示）相连接，即形成氧化铜掺杂的二氧化锡基的氨气敏传感器。 

5、用HW－30A型气敏测试仪测定其气敏特性。其气敏测试结果如下：本项发明的气敏元件对氨气有单选择性，其响应时间为2秒，恢复时间为4秒，元件对氨气的灵敏度达到237.4，对甲醛等其他有气体不敏感。 

Claims (1)

1.一种氧化铜掺杂二氧化锡基的氨气气敏传感器的制备方法，其特征是，步骤如下：

（1）打开真空室，将纯度均为99.99%的Cu靶材和Sn靶材分别放在两个射频溅射靶上，将Al₂O₃陶瓷管放在样品托上，关闭真空室；

（2）溅射前将系统抽为真空，机械泵对磁控溅射室进行抽气，当真空计指针达到1-30Pa时，启动分子泵，利用分子泵对磁控溅射室进行抽真空，直至系统的气压达到10^-3-10^-5Pa；

（3）抽完真空后，打开氧气和氩气的气路阀门，向系统中通入体积比为：3:1-4:1的氩气和氧气，通过气体质量流量计控制真空室内的气体压力，使其保持在6×10⁰-3×10^-1Pa，在反应溅射过程中，氩气为溅射气体、氧气为反应气体；

（4）溅射开始时在靶与基板之间放一挡盘，预溅射10分钟后移开挡盘，同时将Sn靶的功率调到60-80W,Cu靶的功率调到20-60W，溅射45分钟；

（5）溅射完成后，向真空室充入氮气，达到10⁵Pa时打开真空室取出样品；

（6）将上述样品在马弗炉内，进行300℃-500℃退火1-3小时，在Al₂O₃陶瓷管表面形成所需的SnO₂薄膜，即形成氧化铜掺杂的二氧化锡基的氨气敏传感器。

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