CN105239045A - 一种基于掺金氧化钒的室温甲烷气体传感器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于掺金氧化钒的室温甲烷气体传感器制备方法，首先溅射，淀积交叉金属铂电极，通过直流磁控溅射镀金属钒纳米薄膜，再溅射掺杂金属金颗粒，然后利用快速退火技术进行氧化生成掺金氧化钒。本发明方法可以降低传感器的工作温度，从而影响整个敏感材料的电导率的变化，提高传感器的活性。除此之外，其还能大幅度提高气敏传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体氧化物甲烷气体传感器的，尤其涉及一种掺杂金的氧化钒薄膜、室温检测甲烷气体传感器的制备方法。
背景技术
我国煤矿事故中，瓦斯引起的爆炸对煤矿生产和矿工的安全造成很大的威胁；在家庭生活中，天然气和液化气的泄漏很容易引起火灾和爆炸，造成居民的伤亡和财产损失。而瓦斯和天然气主要成分就是甲烷。甲烷是一种无色无味，易燃易爆的无毒气体。尽管没有毒性，但是当甲烷的浓度在空气中的比例在5％-15％时，遇到明火就会发生爆炸，对国家和人民带来人身的伤害和财产的损失。因此发展能在甲烷泄漏出现时，及时发现，检测出甲烷的存在的传感器是十分必要的。而金属氧化物半导体气体传感器与其他类型的气体传感器相比，具有灵敏度高、响应-恢复时间短、制造成本低、制作工艺简单等优点，其中，氧化锌和氧化锡等半导体材料广泛应用于甲烷传感器，但是这些传感器为了获得较高的灵敏度，普遍工作温度高，需要保持高温的环境，这就造成其传感器老化加快，稳定性下降，并使得功耗增加等一系列问题。目前，实现甲烷气体的室温检测仍然是一项极富挑战性的任务。金属钒的化合价从+1到+5，因此钒的氧化物具有数十种，其中，二氧化钒和五氧化二钒因其存在相变特性，引起学者的广泛研究。二氧化钒作为一种热致相变金属氧化物半导体材料，在68℃附近，由低温半导体单斜结构转变为高温金属四方金红石结构，同时伴随着电阻率、磁化率、光透射的变化。而五氧化二钒的相变温度在250℃，因此氧化钒广泛应用于光电开关材料、智能玻璃、存储器等。2014年A.K.Prasad等人发现二氧化钒对甲烷气体具有敏感特性，但是其工作温度为50℃，仍高于室温。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于掺金氧化钒的室温甲烷气体传感器制备方法，克服现有技术中甲烷气敏传感器工作温度高的问题。
本发明的技术方案是：一种基于掺金氧化钒的室温甲烷气体传感器制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗陶瓷片基底：
在超声清洗器中依次分别用丙酮、无水乙醇超声清洗陶瓷衬底，之后用去离子水冲洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，从中取出，最后用红外线快速干燥箱干燥。
(2)溅射交叉铂电极：
用磁控溅射镀膜机在上述已经清洗干净的陶瓷片衬底上淀积铂的交叉电极。
(3)溅射金属钒的薄膜：
通过磁控溅射在镀有铂叉指电极的陶瓷片衬底上淀积金属钒膜，淀积的金属钒薄膜厚度约150nm。
(4)掺杂金颗粒
通过溅射进行金的掺杂，在金属钒纳米薄膜上形成金的纳米颗粒。
(5)快速退火制备氧化钒薄膜
将制得的金掺杂的钒纳米薄膜放入快速退火炉中进行退火，获得氧化钒薄膜。退火过程中，通入纯氧，退火温度为450℃-500℃。
本发明的有益效果为：
1)展示了一种基于掺杂金的氧化钒薄膜甲烷气体传感器，可室温探测甲烷气体，且具有较高灵敏度。
2)制备的掺杂金的氧化钒复合薄膜颗粒尺寸在纳米级别。工艺简单，参数较少且可控性高，能够缩短制备时间，提高样品重复性。
金掺入到金属半导体材料后，可以降低传感器的工作温度，从而影响整个敏感材料的电导率的变化，提高传感器的活性，降低其工作温度。除此之外，其还能大幅度提高气敏传感器的灵敏度。
附图说明
图1是掺金的氧化钒薄膜扫描电子显微镜照片；
图2是本发明的方法制备掺金的氧化钒薄膜气体传感器的结构示意图；
图3是在470℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器材料XRD曲线；
图4是在470℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器在室温下对500ppm-2000ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
图5是在480℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器材料XRD曲线；
图6是在480℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器在室温下对500ppm-2000ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
图7是在490℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器材料XRD曲线；
图8是在490℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器在室温下对500ppm-2000ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
图9是在500℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器材料XRD曲线；
图10是在500℃退火、掺金的氧化钒薄膜气体传感器在室温下对500ppm-2000ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
图11是在470℃-500℃不同退火温度的传感器对500ppm-2000ppm甲烷的灵敏度响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
1)清洗陶瓷片基底：
在超声清洗器中依次分别用丙酮、无水乙醇超声清洗陶瓷衬底15分钟，之后用去离子水冲洗、冲洗完成后放入无水乙醇中，从中取出，最后用红外线快速干燥箱干燥5分钟。
2)溅射交叉铂电极：
通过磁控溅射镀膜机在上述已经清洗干净的陶瓷片衬底上淀积铂的交叉电极。氩气流速为24sccm，溅射压强5.5E-1pa，溅射功率为100W，基底保持室温，溅射时间2分钟。
3)溅射金属钒的薄膜：
用超高真空直流对靶磁控溅射仪在镀有Pt叉指电极的陶瓷片基底上淀积金属钒膜，氩气流速为48sccm，溅射压强2Pa，溅射功率75w，基底保持室温，溅射35分钟。淀积金属钒薄膜厚度约150nm。
4)掺杂金颗粒
通过溅射进行金的掺杂，在金属钒纳米薄膜掺杂金的纳米颗粒。
5)快速退火制备氧化钒薄膜
将制得的掺金的钒薄膜放入快速退火炉中进行退火，获得掺金的氧化钒复合薄膜。退火过程中，退火温度为470℃，保温时间为270s。
本实施例制得的气体传感器在室温时对500ppm～2000ppm浓度的甲烷气体进行测试，在1500ppm浓度甲烷气体下，传感器灵敏度达到最大是3.2，图3是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线，图4显示甲烷响应敏感曲线。
实施例2
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤5)中退火温度为480℃。所制得的气敏传感器元件在室温检测，在1500ppm浓度甲烷气体下，传感器灵敏度达到最大是25.1，图5是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线，图6显示甲烷响应敏感曲线。
实施例3
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤5)中退火温度为490℃。所制得的气体传感器元件在室温检测，在1500ppm浓度甲烷气体下，传感器灵敏度达到最大是17.3，图7是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线，图8显示甲烷响应敏感曲线。
实施例4
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤5)中退火温度为500℃。所制得的气体传感器元件在室温检测，在1500ppm浓度甲烷气体下，传感器灵敏度达到最大是5.4，图9是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线，图10显示甲烷响应敏感曲线。
实施例5
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：没有步骤4)，不进行掺杂金，在450℃、460℃、470℃、480℃进行退火，做出系列退火温度没有掺杂的氧化钒的薄膜的对照样品。本实例做得的气体传感器在500ppm甲烷响应较小，在仅在460℃退火下，灵敏度响应为1.1左右，其他几个响应很小。与前面掺杂实施例样品形成对照。
实施例6
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤4)中掺杂金改为掺杂Pt，在450℃、460℃、470℃进行退火，做出系列退火温度掺杂Pt的氧化钒的薄膜的对照样品。本实例做得的气体传感器在500ppm甲烷浓度进行测试。450℃退火下，响应时间较短，但是灵敏度响应较小，为6.9；460℃退火下，但是灵敏度响应18.2，但响应时间较大，是掺杂金的两倍；470℃退火下，灵敏度响应较小，为5.2，响应时间较大，是掺杂金的两倍。
本发明采用掺杂金的氧化钒纳米薄膜传感器对检测气体的敏感特性，气敏元件的灵敏度S＝[(Ra-Rg)/Rg]×100，其中Rg、Ra分别为元件在初始稳定阻值和通入气体后稳定的阻值。
本发明所制备的掺杂金颗粒的氧化钒薄膜气敏传感器，是一种新型的室温检测甲烷气体的理想材料。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于掺杂金的氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗陶瓷片基底：
在超声清洗器中依次分别用丙酮、无水乙醇超声清洗陶瓷衬底，之后用去离子水冲洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，从中取出，最后用红外线快速干燥箱干燥；
(2)溅射交叉铂电极：
用磁控溅射镀膜机在上述已经清洗干净的陶瓷片衬底上淀积铂的交叉电极；
(3)溅射金属钒的薄膜：
通过磁控溅射在镀有铂叉指电极的陶瓷片衬底上淀积金属钒膜；
(4)掺杂金颗粒
通过溅射进行金的掺杂，在金属钒纳米薄膜上形成金的纳米颗粒；
(5)快速退火制备氧化钒薄膜
将制得的金掺杂的钒纳米薄膜放入快速退火炉中进行退火，获得氧化钒薄膜。
2.根据权利要求1所述基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)淀积金属钒薄膜厚度为150nm。
3.根据权利要求1所述基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)退火过程中，通入纯氧，退火温度为450℃-500℃。
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| CN102965622A (zh) * | 2012-12-19 | 2013-03-13 | 中国科学院微电子研究所 | 一种表面掺杂Au或Pt纳米晶的敏感膜的制备方法 |
| CN104034763A (zh) * | 2014-05-28 | 2014-09-10 | 南京工业大学 | 一种混杂贵金属掺粒子和金属氧化物薄膜的集成气体传感器及其制备方法 |
| CN104181206A (zh) * | 2014-08-12 | 2014-12-03 | 天津大学 | 金掺杂多孔硅/氧化钒纳米棒气敏材料的制备方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A.K.PRASAD ET.AL.: "Novel single phase vanadium dioxide nanostructured films for methane sensing near room temperature", 《SENSORS AND ACTUATORS B: CHEMICAL》 * |
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