CN108088875A - 基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器 - Google Patents

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石笑驰
邢妍
李彤彤
李芳�
李昀铮
石博
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Abstract

本发明公开一种基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器，本首先通过化学气相沉积方法制备出表面积大，结晶好的ZnO微米线阵列，然后从其上取出所需的单根ZnO微米线，在其两端用银胶固定并作为惠斯通电桥的一个可变桥壁，与其他三个桥壁构成非平衡电桥式乙醇气体传感器。制备工艺简单，成本低廉，制作方便易于实现，不仅具有较高的灵敏度而且响应和恢复速度快，可在室温下对乙醇气体进行检测，提高了检测器的可靠性。

Description

基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器
技术领域
本发明涉及一种乙醇气体传感器，尤其是一种灵敏度高、响应和恢复速度快的基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器。
背景技术
目前，在各种气体传感器中，氧化物半导体为敏感材料的气体传感器以具有灵敏度高、检测下限低、响应和恢复时间短、成本低廉等突出的优点，成为广泛应用的气体传感器之一。近年来，作为直接带隙宽禁带半导体材料的氧化锌（ZnO），由于其独特的光电、压电和化学性质，以及高的热稳定性和气体特性逐渐被应用于气体传感方面，特别是对于具有比表面积大的一维ZnO纳/微米结构，已经显示出比体材料更优越的气敏特性。但目前文献报道的纳/微米ZnO气体传感器的工作温度普遍较高（大约在200~400℃），长时间工作不仅对器件造成损害，增加器件工作的不稳定性且大大降低传感器的使用寿命。另外，气体传感器的响应和恢复时间也比较长。
发明内容
本发明为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种灵敏度高、响应和恢复速度快的基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器。
本发明的技术解决方案是：一种基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器，由敏感材料与三个定值电阻组成惠斯通电桥，其特征在于：所述敏感材料为直径30~100μm、长度30~40mm 的单根ZnO微米线，所述单根ZnO微米线是按如下步骤制备：
（a）将纯度大于99%的ZnO粉末和活性碳粉按照质量比2：1充分混合制成反应源材料，将反应源材料放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统石英管的中心处；
（b）通入载气氩气，氩气流量为100~300ml/min，当温度加热至950~1100℃时通入氧气，氧气流量为10~100ml/min，生长时间为30分钟；
（c）关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，在石英管出气口处得到ZnO微米线阵列，从ZnO微米线阵列底部剥离出单根ZnO微米线。
本发明首先通过化学气相沉积方法制备出表面积大，结晶好的ZnO微米线阵列，然后从其上取出所需的单根ZnO微米线，在其两端用银胶固定并作为惠斯通电桥的一个可变桥壁，与其他三个桥壁构成非平衡电桥式乙醇气体传感器。制备工艺简单，成本低廉，制作方便易于实现，不仅具有较高的灵敏度而且响应和恢复速度快，可在室温下对乙醇气体进行检测，提高了检测器的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例1中ZnO微米线阵列的相机照片。
图2是本发明实施例1中单根ZnO微米线的扫描电子显微镜照片。
图3是本发明实施例1在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为10ppm下的响应和恢复曲线。
图4是本发明实施例2在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为40ppm下的响应和恢复曲线。
图5是本发明实施例在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为70ppm下的响应和恢复曲线。
图6是本发明比较例在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为70ppm下的响应和恢复曲线。
具体实施方式
实施例1：
本发明的基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器，同现有技术一样，由敏感材料与三个定值电阻组成惠斯通电桥，与现有技术所不同的是所述敏感材料为直径40μm、长度30mm 的单根ZnO微米线，所述单根ZnO微米线是按如下步骤制备：
（a）将纯度大于99%的ZnO粉末和活性碳粉按照质量比2：1充分混合制成反应源材料，将反应源材料放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统石英管的中心处；
（b）通入载气氩气，氩气流量为150ml/min，当温度加热至1000时通入氧气，氧气流量为30ml/min，生长时间为30分钟；
（c）关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，在石英管出气口处得到ZnO微米线阵列，从ZnO微米线阵列底部剥离出单根ZnO微米线；
首先将三个固定电阻分别为R1=10KΩ，R2=10KΩ，R3=50KΩ按照惠斯通电桥结构搭建好电路；然后将剥离出的长度为30mm，直径为40μm的单根ZnO微米线放在干净的玻璃片上，在ZnO微米线的两端用导电银胶固定并作为电极，同时在微米线两端电极处引出两根铜丝，在干燥环境下静置待银胶固化，之后将单根ZnO微米线接入到电桥电路中作为R4，从而得到基于单根ZnO微米线非平衡电桥式乙醇气体传感器。
基于单根ZnO微米线非平衡电桥式乙醇气体传感器对乙醇气体的传感响应S定义为：，其中I a 和I g 分别为传感器在空气中和乙醇气体中的稳定电流值。
实施例1所生长的ZnO微米线阵列的相机照片如图1所示，从中所取的单根ZnO微米线扫描电子显微镜照片如图2所示。从图1可以看出，本发明实施例制备的单根ZnO微米线长度可达30~40mm，从图2可以看出本发明实施例制备的单根ZnO微米线直径为40μm。
图3是本发明实施例1在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为10ppm下的响应和恢复曲线。
气敏性能指标如下：
传感器响应S为20%，响应时间约为0.6s，恢复时间约为1s。
图4是本发明实施例1在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为40ppm下的响应和恢复曲线。
气敏性能指标如下：
传感器响应为58%，响应时间约为0.5s，恢复时间约为1s。
图5是本发明实施例1在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为70ppm下的响应和恢复曲线。
气敏性能指标如下：
传感器响应为80%，响应时间约为0.5s，恢复时间约为2s。
实验比较例：
实验比较例是采用现有方法制成长度为20mm，直径为40μm的单根ZnO微米，然后按照本发明实施例1的方法制成基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器。
图6是比较例在工作温度为室温25℃、乙醇浓度为70ppm下的响应和恢复曲线。
气敏性能指标如下：
传感器响应为4%，响应时间约为1s，恢复时间约为6s。
通过与对比例比较实验，说明本发明实施例气敏指标得到明显改善。

Claims (1)

1.一种基于单根ZnO微米线的非平衡电桥式乙醇气体传感器，由敏感材料与三个定值电阻组成惠斯通电桥，其特征在于：所述敏感材料为直径30~100μm、长度30~40mm 的单根ZnO微米线，所述单根ZnO微米线是按如下步骤制备：
（a）将纯度大于99%的ZnO粉末和活性碳粉按照质量比2：1充分混合制成反应源材料，将反应源材料放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统石英管的中心处；
（b）通入载气氩气，氩气流量为100~300ml/min，当温度加热至950~1100℃时通入氧气，氧气流量为10~100ml/min，生长时间为30分钟；
（c）关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，在石英管出气口处得到ZnO微米线阵列，从ZnO微米线阵列底部剥离出单根ZnO微米线。
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