CN111077189A - 一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法 - Google Patents

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王秀宇
朱宣同
夏梦真
李�亨
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Abstract

本发明公开一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法，主要步骤：1)制备纳米球‑花状组合型镁掺杂ZnSnO3前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6，烘干；2)依次称取Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6和nano‑TiO2，加入去离子水，均匀混合，最后在加热条件下再磁力搅拌，浓缩处理成糊状物；3)采用甩胶法在叉指电极上涂覆上述糊状物，使其成膜，然后烘干成薄膜；4)将上述涂膜电极在高温中热处理，前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6在高温下脱水形成Zn0.9Mg0.1SnO3，并与nano‑TiO2键合形成化学吸附，形成nano‑TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物。本发明降低了ZnSnO3气敏传感器的工作温度，使气敏传感器在较低温度(80℃)下具有优异的气敏性能。

Description

一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体气敏传感器，具体地说，涉及一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法。
背景技术
环境气体与人类生活密不可分，但是人们在利用一些危险气体(如煤气、天然气、液化气等)时，由于这些气体的不稳定性，危险气体又会危及我们的生产生活。生活中因为危险气体而引发的爆炸、火灾、中毒等一系列事故，警醒着人们对危险气体的有效监控与防范的重要性。对危险气体的监测，预防危险事故的发生气敏传感器发挥着巨大的作用。当前，各种特定气体气敏传感器已经在生活中随处可见，如CO气敏传感器、乙醇气敏传感器、瓦斯气敏传感器等，这些不同种类的传感器材料不同，性能各异。乙醇气敏传感器是常见的一种气敏传感器，金属氧化物半导体是制备乙醇气敏传感器通常使用的气敏材料，但是金属氧化物半导体基乙醇气敏传感器存在工作温度较高，气敏响应较低等亟待解决缺点。因此，如何提升乙醇气敏传感器在较低温度下的气体响应已成为目前乙醇气敏传感器研究的难点与热点。
偏锡酸锌(ZnSnO3)是一种极具潜力的气敏材料，它是具有钙钛矿结构的三元复合金属氧化物半导体，兼具ZnO和SnO2两种材料的优点，表现出优异的气敏性能和热稳定性。但也存在与二元金属氧化物半导体(如WO3、ZnO、SnO2)材料一样的问题，即ZnSnO3气敏传感器须在较高的工作温度下(200℃以上)才能表现出良好的气敏性能，当ZnSnO3气敏传感器工作在较低的温度中时，其气敏响应仍然很低，这严重限制了它在易燃、易爆等危险气体中的应用。针对这一问题，本发明基于Mg掺杂ZnSnO3的纳米球-花状组合型ZnSnO3，并引入紫外光敏材料nano-TiO2制备出乙醇气敏元件。在紫外光的辅助作用下，研制出一种能在较低温度(80℃)下工作的乙醇气敏传感器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法，降低ZnSnO3气敏传感器的工作温度，并提高其在低温环境中的气敏性能。
本发明为解决背景技术中的技术问题，提出一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)制备纳米球-花状组合型镁掺杂ZnSnO3前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6，并在40℃下烘干；
2)依次称取Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6和nano-TiO2，加入去离子水，先磁力搅拌、然后超声分散使二者均匀混合，最后在加热条件下再磁力搅拌，浓缩处理成糊状物；
3)采用甩胶法在叉指电极上涂覆上述糊状物，使其成膜，然后烘干成薄膜；
4)将上述涂膜电极在高温中热处理，前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6在高温下脱水形成Zn0.9Mg0.1SnO3，并与nano-TiO2键合形成化学吸附，形成nano-TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物。
述步骤2)中nano-TiO2与Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6粉末的质量比m2/m1为10％。
有益效果：
1、适量Mg掺杂可改变ZnSnO3的气敏机理，且掺杂后的纳米球-花状组合型ZnSnO3具有较大的比表面积，二者皆能使ZnSnO3气敏性能有所提高。
2、紫外光照射叉指电极上的nano-TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物，改变ZnSnO3传感器的气敏机理，能有效降低气敏传感器的工作温度。
3、本发明降低了ZnSnO3气敏传感器的工作温度，使气敏传感器在较低温度(80℃)下具有优异的气敏性能。
附图说明
图1本发明中气敏传感器结构(a)与气敏元件示意图(b)；
图2本发明在80℃时的气体响应曲线，右上角插图为该气敏传感器所用nano-TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物形貌SEM图；
图3本发明气敏传感器在不同乙醇浓度环境中低温(80℃)工作时的响应-恢复特性曲线(a)以及乙醇浓度为10ppm时的响应-恢复特性曲线特写(b)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步的说明。
本发明利用制备纳米球-花状组合型镁掺杂ZnSnO3作为气敏材料，通过Mg掺杂和nano-TiO2修饰改变ZnSnO3传感器的气敏机理，制备出在室温下(25℃)具有优良气敏性能的乙醇气敏传感器。下面结合附图对本发明进行详细说明：
(1)基于发明CN201810304991.0中制备3D花状ZnSnO3的方法，使用Mg(NO3)2为Mg掺杂源，按照硫酸锌与硝酸镁的摩尔比为ZnSO4:Mg(NO3)2＝9:1的比例制备出纳米球-花状组合型镁掺杂ZnSnO3前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6粉末；
(2)按质量比m1:m2:m3＝5:1:250分别称取步骤(1)制得的纳米球-花状组合型镁掺杂ZnSnO3前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6粉末m1、nano-TiO2m2、去离子水m3，将三者在烧杯中混合成悬浊液，然后将混合液先用磁力搅拌20min，然后超声分散30min，最后在加热条件下(40℃)再磁力搅拌1h，使混合液中的多余水分挥发浓缩处理成糊状物；
(3)使用甩胶机(速度调节至50r/s)，将步骤(2)搅拌均匀的糊状物均匀涂覆在叉指电极上，并在40℃条件下烘干成薄膜；
(4)将步骤(3)制得的薄膜电极置于马弗炉中500℃煅烧2h，经过煅烧热处理后，前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6在高温下脱水形成Zn0.9Mg0.1SnO3，并与nano-TiO2键合形成化学吸附，形成nano-TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物，如图2中SEM图所示。涂有TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物的叉指电极即为气敏传感器的核心部件(图1b)，可进行气敏性能测试。
(5)将步骤(4)制得的气敏传感元件按图1a进行组装，其中紫外灯(波长＝365nm)与气敏传感元件距离为2cm；按照图1a所示将气敏传感器元件接100V电压，紫外灯接5V电压，打开紫外灯，设置好气敏元件底座加热板的温度，所制备传感器即可工作。
该气敏传感器的测试表明：当nano-TiO2与纳米球-花状组合型镁掺杂Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6粉末质量比m2/m1为10％时，在工作温度为80℃，乙醇气体浓度为500ppm时，该气敏传感器有最大气敏响应为149.81(Ra/Rg)(参见图2)，传感器工作的响应-恢复性能良好(参见图3a)，而且当乙醇气体浓度降低为10ppm时响应和恢复时间仍可达到4s和47s(参见图3b)。

Claims (2)

1.一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备纳米球-花状组合型镁掺杂ZnSnO3前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6，并在40℃下烘干；
2)依次称取Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6和nano-TiO2，加入去离子水，先磁力搅拌、然后超声分散使二者均匀混合，最后在加热条件下再磁力搅拌，浓缩处理成糊状物；
3)采用甩胶法在叉指电极上涂覆上述糊状物，使其成膜，然后烘干成薄膜；
4)将上述涂膜电极在高温中热处理，前驱体Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6在高温下脱水形成Zn0.9Mg0.1SnO3，并与nano-TiO2键合形成化学吸附，形成nano-TiO2/Zn0.9Mg0.1SnO3复合物。
2.根据权利要求1所述的一种低温工作的高性能乙醇气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中nano-TiO2与Zn0.9Mg0.1Sn(OH)6粉末的质量比m2/m1为10％。
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CN109187662A (zh) * 2018-08-31 2019-01-11 天津大学 工作于室温的金属氧化物基乙醇气敏传感器制备方法
CN110208326A (zh) * 2019-06-25 2019-09-06 天津大学 工作于低温下的复合金属氧化物基乙醇气敏传感器的制备方法

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