CN111141791A - 一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器 - Google Patents

一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，包括壳体和气敏组件，所述气敏组件设置在壳体内，所述壳体的上端开设有开口，所述壳体的内壁上固定连接有网罩，所述网罩与开口相接触，所述壳体的底部设置有底片，所述底片上固定连接有卡环，所述卡环与壳体的内壁卡接，所述气敏组件固定安装在底片上，所述气敏组件的底部固定连接有多个引线，多个所述引线穿过底片，所述气敏组件包括元件基座，所述元件基座上固定安装有四个Pt电极和两个加热极，四个所述Pt电极之间设置有气敏元件。本发明溶胶凝胶法制备的ZnO纳米颗粒在黑暗和光照状态下电流和电压曲线呈线性关系，ZnO纳米颗粒与Au电极的接触为良好的欧姆接触。

Description

一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器
技术领域
本发明涉及气敏传感器技术领域，尤其涉及一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器。
背景技术
气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用，常采用半导体金属氧化物传感器，因尺寸小、成本低、结构简单、制备简单、使用寿命长而得到广泛应用，为了在各种纳米电子和纳米传感器中使用这种材料，合成纳米材料和制造高效小型化器件的强烈研究工作正在全球各地展开。
因为其暴露在各种成分的气体中使用，检测现场的温度、湿度等变化很大，工作环境较为恶劣，现有的半导体金属氧化物气敏传感器很容易受到环境的影响，因此当前的半导体金属氧化物气敏传感器的灵敏度和选择性有待提高，以甲醛气体检测为例，ZnO被证明是一种极好的气体传感材料，具有体积小，表比表面积大以及表面活性位点密度高等优点，可用于测量ppm（百万分之一）水平以上的氧化和还原目标气体，为此，我们设计一种用于检测甲醛气体的氧化锌气敏传感器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：现有的半导体金属氧化物气敏传感器很容易受到环境的影响，其灵敏度和选择性有待提高，而提出的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，包括壳体和气敏组件，所述气敏组件设置在壳体内，所述壳体的上端开设有开口，所述壳体的内壁上固定连接有网罩，所述网罩与开口相接触，所述壳体的底部设置有底片，所述底片上固定连接有卡环，所述卡环与壳体的内壁卡接，所述气敏组件固定安装在底片上，所述气敏组件的底部固定连接有多个引线，多个所述引线穿过底片。
优选的，所述气敏组件包括元件基座，所述元件基座上固定安装有四个Pt电极和两个加热极，四个所述Pt电极之间设置有气敏元件，四个所述Pt电极分别通过铂丝线与气敏元件连接，所述气敏元件包括陶瓷管、Au电极和涂层。
优选的，所述涂层为ZnO粉末与松油醇、无水乙醇混合而成的糊状粉体。
优选的，所述涂层的制备方法包括：制备的ZnO粉末；选取适量ZnO粉末与松油醇和无水乙醇混合并研磨成糊状粉体；将所述糊状粉体涂覆在Au电极间的陶瓷管表面上，再将陶瓷管进行干燥和烧结。
优选的，所述涂层为乙酸锌与乙醇溶液、乙醇胺混合而成的溶胶。
优选的，所述涂层的制备方法包括：称取一定量乙酸锌溶入乙醇溶液中，并进行搅拌；逐滴加入乙醇胺搅拌；在烧杯中用乙醇滴定，配置成溶胶，然后搅拌至透明；将陶瓷管作为基板并进行超声清洗；采用浸涂法进行涂膜后干燥。
优选的，所述涂层为钛酸丁酯、无水乙醇、离子水、ZnO粉末、冰醋酸混合而成的胶体粉末。
优选的，所述涂层的制备方法包括：取一定量的钛酸丁酯加入无水乙醇中，并搅拌；将ZnO粉末溶于去离子水，然后滴加冰醋酸，使PH值保持在2-3；将制备出来的两种溶液混合、搅拌、静置得到胶体；将胶体烘干后研磨成粉末后退火处理，便得到ZnO掺杂TiO2的溶胶；采用浸涂法对陶瓷进行涂膜。
优选的，所述气敏组件包括叉指基座，所述叉指基座上阵列安装有多个导电基底，所述叉指基座的上方对称设置有叉指电极，两个所述叉指电极交叉设置，所述叉指电极与导电基底连接，所述叉指电极的宽度为100-200μm。
优选的，所述叉指电极为蒸镀有ZnO纳米线的特定掩膜版的金电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过溶胶凝胶法制备的ZnO纳米颗粒在黑暗和光照状态下电流和电压曲线呈线性关系，ZnO纳米颗粒与Au电极的接触为良好的欧姆接触，在空气中传感器电流最小，在甲醛气体中，随着甲醛的蒸汽不断慢慢释放，气体的浓度逐渐升高，检测到传感器的电流也不断的升高，继而实现ZnO纳米颗粒制备的气敏传感器对甲醛气体有着明显的响应。
2、掺杂了TiO2的ZnO胶体，整体颗粒和气孔分布均匀，比表面积较大，有利于气体的吸附，ZnO掺杂TiO2纳米颗粒制成的气敏传感器的响应度提升到87%，而响应恢复时间也缩短为1.5-1s。
3、叉指电极能够同幅度增大电极之间的表面积，继而实现电流强度大幅度的提高，从而能够更加精确的感知气体的存在，提高气敏传感器的灵敏度。
附图说明
图1为实施例1中的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器的结构示意图；
图2为实施例1中的氧化锌气敏传感器的气敏组件结构示意图；
图3为实施例1中的氧化锌气敏传感器的气敏元件的结构示意图；
图4为实施例2中的氧化锌气敏传感器的气敏组件结构示意图。
图中：1壳体、2开口、3网罩、4气敏组件、5卡环、6底片、7引线、8 Pt电极、9气敏元件、10加热极、11铂丝线、12元件基座、13陶瓷管、14 Au电极、15涂层、16叉指基座、17叉指电极、18导电基底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
参照图1-3，本实施例提供了一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，包括壳体1和气敏组件4，气敏组件4设置在壳体1内，壳体1的上端开设有开口2，壳体1的内壁上固定连接有网罩3，网罩3与开口2相接触，壳体1的底部设置有底片6，底片6上固定连接有卡环5，卡环5与壳体1的内壁卡接，气敏组件4固定安装在底片6上，气敏组件4的底部固定连接有多个引线7，多个引线7穿过底片6，气敏组件4包括元件基座12，元件基座12上固定安装有四个Pt电极8和两个加热极10，四个Pt电极8之间设置有气敏元件9，四个Pt电极8分别通过铂丝线11与气敏元件9连接，气敏元件9包括陶瓷管13、Au电极14和涂层15，涂层15为ZnO粉末与松油醇、无水乙醇混合而成的糊状粉体，其中ZnO选取纯相的六方纤锌矿结构；
气敏元件9的制备过程为，首先将制备好的ZnO粉末选取适量与松油醇和无水乙醇混合，将混合体在玛瑙研钵中轻微研磨，将研磨好的糊状粉体涂覆在Au电极14间的陶瓷管13表面上，再将陶瓷管13放入恒温干燥箱干燥，最后的热处理是在400度高温的CVD中烧结陶瓷管13至少2h，最后将涂有样品的陶瓷管13的四根铂丝线11焊接在元件基座12上，通过该方法制备的气敏传感器工艺简单成本低廉。
根据传感器的响应度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
可知，气敏元件9接触到目标气体后的电阻值变化率Rg-Ra越大，响应度S就越高，传感器的性能也就越好，响应时间越低，传感器的传感特性越好。其中Ra是气敏元件存在与干燥空气中的传感器电阻，Rg是存在目标气体时的传感器电阻。
当半导体金属氧化物即气敏元件9暴露在洁净空气中，会产生两种吸附，即物理吸附和化学吸附，其中物理吸附是指当半导体金属氧化物与空气接触时，空气中的氧气分子会吸附在半导体金属氧化物的表面上，由于金属氧化物ZnO纳米材料的表面存在着大量的电子，当ZnO纳米材料的表面与空气接触时，还会发生化学吸附，也是最主要的吸附形式，即空气中氧分子会与ZnO纳米材料表面的电子结合，随着温度的升高，这些带电的氧分子通过从ZnO的导带中获得电子近一步离解成负一和负二价的氧负离子，这使ZnO纳米材料表面的电子大量减少，半导体表面势垒增大，耗尽层变宽，从而使得气敏材料的电阻升高，当ZnO气敏材料接触乙醇气体时，具有还原性的乙醇气体分子会与这些氧负离子进行氧化反应，使氧原子捕获的电子释放回ZnO纳米材料表面附近的导带中去，从而使得ZnO气敏材料表面电阻下降。
进一步地，气敏元件9的涂层15还可以为乙酸锌与乙醇溶液、乙醇胺混合而成的溶胶。其具体制备方法为，首先用电子天平准确称取8.2125g乙酸锌溶入30ml的乙醇溶液中，用恒温磁力搅拌器搅拌并保持温度为70°C，搅拌10min后，逐滴加入4.6ml的乙醇胺作为稳定剂，再搅拌10min，然后冷却至室温，在50ml的烧杯中用乙醇滴定，配置成0.75M的溶胶，最后在70°C恒温磁力搅拌器上搅拌1h，形成透明的溶胶，静置待用；将陶瓷管13作为基板，用丙酮，异丙醇，无水乙醇，去离子水依次超声清洗，然后准备涂膜，为了达到一定的厚度，需要多次均匀涂膜，采用浸涂法进行涂膜，将清洗后的陶瓷13慢慢浸入ZnO溶胶中，待完全覆盖，以1~2mm/s的速度向上提拉，涂膜结束后立刻放入100°C的烘箱中干燥10min，再重复上步骤涂膜3~5次，最后放入CVD中在700°C温度下退火2h，冷却至室温，最后将涂有样品的陶瓷管13的四根铂丝线11焊接在元件基座12上，构成旁热式的气敏传感器。
通过上述溶胶凝胶法制备的ZnO纳米颗粒在黑暗和光照状态下电流和电压曲线呈线性关系，ZnO纳米颗粒与Au电极14的接触为良好的欧姆接触，在空气中传感器电流最小，在甲醛气体中，随着甲醛的蒸汽不断慢慢释放，气体的浓度逐渐升高，检测到传感器的电流也不断的升高，继而实现ZnO纳米颗粒制备的气敏传感器对甲醛气体有着明显的响应。该氧化锌气敏传感器在常温下对甲醛气体的响应恢复时间，响应度达到97%。
进一步地，气敏元件9的涂层15还可以为钛酸丁酯、无水乙醇、离子水、ZnO粉末、冰醋酸混合而成的胶体。其制备方法为，量取一定量的钛酸丁酯加入无水乙醇中，使两者浓度配比为钛酸丁酯：无水乙醇=6ml：24ml，并且以130r/min的速度用磁力搅拌器搅拌30min；先将0.086g 的4%质量分数的ZnO粉末溶于2ml去离子水，然后在去离子水中滴加冰醋酸约0.4ml，使PH值保持在2~3；将制备出来的两种溶液混合，搅拌1h，静置得到胶体；将胶体烘干后研磨成粉末，放入700°C的CVD中退火2h，便得到ZnO掺杂TiO2的溶胶；同样，采用浸涂法对陶瓷13进行涂膜，最后将涂有样品的陶瓷管13的四根铂丝线11焊接在元件基座12上，构成旁热式的气敏传感器。
由于ZnO的掺杂有效地抑制了TiO2晶粒的生长，使得颗粒和气孔分布均匀，比表面积较大，有利于气体的吸附，使得ZnO掺杂TiO2纳米颗粒制成的气敏传感器的响应度提升到87%，而响应恢复时间也缩短为1.5～1s。
实施例2：
本实施例提供了另一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，在上述实施例基础上，气敏组件4包括叉指基座16，叉指基座16上阵列安装有多个导电基底18，叉指基座16的上方对称设置有叉指电极17，两个叉指电极17交叉设置，叉指电极17与导电基底18连接，叉指电极17的宽度为100-200μm，叉指电极17采用特定掩膜版，使用ZHD-400高真空蒸发镀膜机在ZnO纳米线上蒸镀得到的，电极材料为金。
相比普通电极，叉指电极17不仅电极间距大大减小，并且电极面积同样大幅度的增加，优化了的叉指电极17，电流强度大幅度的提高，该传感器可以通过使用叉指电极17来提升电子在半导体表面的传输，优化电极结构为叉指电极17后，传感器的响应度提升到82%，而响应恢复时间缩短为4～5s，由于减少电子在ZnO材料表面传输时的消耗，增强气敏性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，包括壳体（1）和气敏组件（4），所述气敏组件（4）设置在壳体（1）内，其特征在于，所述壳体（1）的上端开设有开口（2），所述壳体（1）的内壁上固定连接有网罩（3），所述网罩（3）与开口（2）相接触，所述壳体（1）的底部设置有底片（6），所述底片（6）上固定连接有卡环（5），所述卡环（5）与壳体（1）的内壁卡接，所述气敏组件（4）固定安装在底片（6）上，所述气敏组件（4）的底部固定连接有多个引线（7），多个所述引线（7）穿过底片（6）。
2.根据权利要求1所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述气敏组件（4）包括元件基座（12），所述元件基座（12）上固定安装有四个Pt电极（8）和两个加热极（10），四个所述Pt电极（8）之间设置有气敏元件（9），四个所述Pt电极（8）分别通过铂丝线（11）与气敏元件（9）连接，所述气敏元件（9）包括陶瓷管（13）、Au电极（14）和涂层（15）。
3.根据权利要求2所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述涂层（15）为ZnO粉末与松油醇、无水乙醇混合而成的糊状粉体。
4.根据权利要求3所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述涂层（15）的制备方法包括：制备的ZnO粉末；选取适量ZnO粉末与松油醇和无水乙醇混合并研磨成糊状粉体；将所述糊状粉体涂覆在Au电极（14）间的陶瓷管（13）表面上，再将陶瓷管（13）进行干燥和烧结。
5.根据权利要求2所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述涂层（15）为乙酸锌与乙醇溶液、乙醇胺混合而成的溶胶。
6.根据权利要求5所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述涂层（15）的制备方法包括：称取一定量乙酸锌溶入乙醇溶液中，并进行搅拌；逐滴加入乙醇胺搅拌；在烧杯中用乙醇滴定，配置成溶胶，然后搅拌至透明；将陶瓷管（13）作为基板并进行超声清洗；采用浸涂法进行涂膜后干燥。
7.根据权利要求2所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述涂层（15）为钛酸丁酯、无水乙醇、离子水、ZnO粉末、冰醋酸混合而成的胶体粉末。
8.根据权利要求7所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述涂层（15）的制备方法包括：取一定量的钛酸丁酯加入无水乙醇中，并搅拌；将ZnO粉末溶于去离子水，然后滴加冰醋酸，使PH值保持在2-3；将制备出来的两种溶液混合、搅拌、静置得到胶体；将胶体烘干后研磨成粉末后退火处理，便得到ZnO掺杂TiO2的溶胶；采用浸涂法对陶瓷（13）进行涂膜。
9.根据权利要求1所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述气敏组件（4）包括叉指基座（16），所述叉指基座（16）上阵列安装有多个导电基底（18），所述叉指基座（16）的上方对称设置有叉指电极（17），两个所述叉指电极（17）交叉设置，所述叉指电极（17）与导电基底（18）连接。
10.根据权利要求9所述的一种甲醛气体检测用的氧化锌气敏传感器，其特征在于，所述叉指电极（17）为蒸镀有ZnO纳米线的特定掩膜版的金电极。
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