CN111239207A - 一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器 - Google Patents
一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，包括基底层、叉指电极层、金属氧化物层,金属氧化物层的上设置有多个孔洞，孔洞内底部还设置有贵金属颗粒；通过在金属氧化物的上方设置孔洞，在孔洞内设置贵金属颗粒，通过光激发贵金属颗粒形成表面等离激元共振，在贵金属颗粒附近形成强电场，强电场有利于将金属氧化物内部的自由电子与附近的氧气分子结合，变成氧负离子；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物薄膜中的自由电子浓度剧烈增加，导致电阻剧烈降低，通过检测电阻的变化，就可以实现气体分子的高灵敏度探测。
Description
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，具体涉及一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器。
背景技术
气体传感器是一种检测气体浓度的仪器。该仪器适用于存在可燃易爆或有毒有害气体的危险场所，能长期连续检测环境中被测目标气体危险下限以内的含量。可广泛应用于燃气、石油化工、冶金、钢铁、炼焦、电力等存在可燃或有毒气体的各个行业，是保证财产安全和人身健康的理想监测仪器。
气体传感器可以检测：可燃气体类：天然气(甲烷)、液化气(异丁烷、丙烷)、煤气(氢气)、乙炔、戊烷、炔类、烯类、酒精、丙酮、甲苯、醇类、烃类、轻油等多种液体蒸汽。有毒气体类：一氧化碳、硫化氢、氨气、氯气、氧气、磷化氢、二氧化硫、氯化氢、二氧化氯等多种有毒有害气体。
目前制约气体传感器发展的主要原因有：气体传感器的灵敏度较低、选择性较差、功耗大、制备工艺复杂、价格高等因素，而所有这些因素都与气体传感器所采用的敏感材料和气体传感器的结构有关。可以说，敏感材料与传感器的结构是新型气体传感器乃至新型智能控制系统的基础与关键。
发明内容
本发明提供了一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，包括基底层，所述基底层的上方设置有叉指电极层，所述叉指电极层的上方设置有金属氧化物层,所述金属氧化物层的上设置有多个孔洞，所述孔洞内底部还设置有贵金属颗粒。
所述多个孔洞为周期排列。
所述孔洞的高度小于金属氧化物层的厚度。
所述孔洞为圆形。
所述孔洞的半径为20nm～1μm。
所述叉指电极层的叉指为长方体。
所述叉指电极层的叉指的间距为20nm～100nm，叉指的宽度为20nm～100nm，所述叉指电极层的厚度为100nm～1000nm。
所述叉指电极层是由金或银制成。
所述金属氧化物层是氧化铁(Fe2O3)、氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)、四氧化三钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、氧化钛(TiO2)、氧化钼(MoO3)、氧化锡(SnO2)中的一种或多种组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的这种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，通过在金属氧化物的上方设置孔洞，在孔洞内设置贵金属颗粒，通过光激发贵金属颗粒形成表面等离激元共振，在贵金属颗粒附近形成强电场，强电场有利于将金属氧化物内部的自由电子与附近的氧气分子结合，变成氧负离子，使得金属氧化物内部的自由电子浓度减少，金属氧化物电阻剧烈增加；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物自由电子浓度剧烈增加，电阻剧烈降低，通过检测电阻的变化，就可以实现气体分子的高灵敏度探测；该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器具有结构简单、气体探测灵敏度高的优点。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器的结构示意图一。
图2是由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器的结构示意图二。
图中：1、基底层；2、叉指电极层；3、金属氧化物层；4、孔洞；5、贵金属颗粒。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种如图1、图2所示的由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，包括具有支撑和保护作用的基底层1，所述基底层1的上方设置有叉指电极层2，所述叉指电极层2的上方设置有金属氧化物层3,所述金属氧化物层3的上设置有孔洞4，所述孔洞4的内底部还设置有贵金属颗粒5；叉指电极层2为感应元件，能够感应到上方设置的金属氧化物层3的电阻变化，通过叉指电极层2检测金属氧化物层3的电阻变化，就可以对气体分子进行检测。通过在金属氧化物3的上方设置孔洞4，在孔洞4内设置贵金属颗粒5，通过光激发贵金属颗粒5形成表面等离激元共振，在贵金属颗粒5附近形成强电场，强电场有利于将金属氧化物3内部的自由电子与附近的氧气分子结合，形成氧负离子，使得金属氧化物3内部的自由电子浓度减少，金属氧化物3电阻剧烈增加；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物3中的自由电子浓度剧烈增加，导致电阻剧烈降低，通过检测电阻的变化，就可以实现气体分子的探测。
进一步的，所述基底层1可以由二氧化硅等结构稳定、绝缘性好的材料制成。
进一步的，所述多个孔洞4为周期排列，优先的，所述孔洞4的排列周期与入射光的波长相同，或者孔洞4的排列周期为入射光的波长的n倍，n为整数，这样，有利于入射光与贵金属颗粒5激发更多更稳定的表面等离激元共振，使得金属氧化物层3内部的自由电子的增加与减少，从而使得该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器的金属氧化物层3的电阻变化更加灵敏，使得叉指电极2能够更灵敏的感应到金属氧化物层3的电阻变化，从而提高该气体分子传感器对气体探测的灵敏度更高。例如，入射光为波长在390nm～780nm的光，则可以将孔洞4的排列周期设定为1000nm～2000nm。
进一步的，所述多个孔洞4为圆形的孔洞，并且孔洞4的半径为20nm～1μm，优选地可以选择孔洞的半径100nm～200nm。孔洞中的贵金属颗粒5的尺寸为20nm～60nm。如此以来，贵金属颗粒5的共振波长在可见光范围内。当可见光照射贵金属颗粒5时，贵金属颗粒5与激发光产生表面等离激元共振，在贵金属颗粒5表面产生强电场，使得金属氧化物层3内部的自由电子的增加与减少，从而使得该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器的金属氧化物层3的电阻变化更加灵敏，使得叉指电极2能够更灵敏的感应到金属氧化物层3的电阻变化，从而提高该气体分子传感器对气体探测的灵敏度更高。更进一步地，贵金属颗粒5与孔洞4的内壁之间的间距为10nm～40nm，因为贵金属颗粒5周围的电场主要产生与贵金属的表面。当贵金属颗粒5余孔洞4的内壁之间的间距为10nm～40nm时，有利于金属氧化物层3周围产生更多氧负离子，从而提高检测的灵敏度。
进一步的，如图2所示，所述孔洞4的高度小于金属氧化物层3的厚度，也就是说，所述孔洞4并未贯穿金属氧化物层3，这样，贵金属颗粒5就设置于孔洞4底部，并未与叉指电极2接触，就最大化的增强金属氧化物3与贵金属颗粒5之间的自由电子交换，同时确保待测气体与贵金属颗粒5的接触，贵金属颗粒5的表面等离激元共振也会改变孔洞4底部的电场，更进一步地提高该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器的探测灵敏度。
另外，在制备该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器时，首先利用电子束蒸发的方法制备基底层1，然后利用电子束曝光和电子束蒸发的方法制备叉指电极层2，然后制备金属氧化物层3和贵金属颗粒5。金属氧化物层3上制备孔洞4、在孔洞4内设置贵金属颗粒时，采用FIB等技术在金属氧化物层3打孔制备孔洞4，再向孔洞4内蒸发贵金属，从而在孔洞4内形成贵金属颗粒5，但是，由于孔洞4的侧壁的阻挡作用，仅仅在孔洞4底部的中心位置形成贵金属颗粒5，这样制备的该气体传感器同样，有利于形成更多的氧负离子，从而使得金属氧化物3的电阻变化更距离，有利于提高该气体传感器的灵敏度。
进一步的，所述叉指电极层2的叉指为长方体，叉指电极层2的叉指为长方体有利于更加稳定的检测金属氧化物层3的电阻变化，从而确保对气体分子探测的精确度。
优先的，所述叉指电极层2的叉指的间距为20nm～100nm，叉指的宽度为20nm～100nm，所述叉指电极层2的厚度为100nm～1000nm。具体的设定可以是：所述叉指电极层2的叉指的间距50nm，叉指的宽度为50nm，所述叉指电极层2的厚度为200nm。
进一步的，所述叉指电极层2是由金或银制成。
进一步的，所述金属氧化物层3是氧化铁Fe2O3、氧化铜CuO、氧化锌ZnO、四氧化三钴Co3O4、氧化镍NiO、氧化钛(TiO2)、氧化钼(MoO3)、氧化锡(SnO2)中的一种或多种组成。
进一步的，所述孔洞4是由金或银或铜制成。
综上所述，该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，通过在金属氧化物的上方设置孔洞，在孔洞内设置贵金属颗粒，通过光激发贵金属颗粒形成表面等离激元共振，在贵金属颗粒附近形成强电场，强电场有利于将金属氧化物内部的自由电子与附近的氧气分子结合，变成氧负离子，使得金属氧化物内部的自由电子浓度减少，金属氧化物电阻剧烈增加；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物自由电子浓度剧烈增加，电阻剧烈降低，通过检测电阻的变化，就可以实现气体分子的探测；该由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器具有结构简单、气体探测灵敏度高的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：包括基底层(1)，所述基底层(1)的上方设置有叉指电极层(2)，所述叉指电极层(2)的上方设置有金属氧化物层(3),所述金属氧化物层(3)的上设置有多个孔洞(4)，所述孔洞(4)内底部还设置有贵金属颗粒(5)。
2.如权利要求1所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述多个孔洞(4)为周期排列。
3.如权利要求1所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述孔洞(4)的高度小于有金属氧化物层(3)的厚度。
4.如权利要求1所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述孔洞(4)为圆形。
5.如权利要求4所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述孔洞(4)的半径为20nm～1μm。
6.如权利要求1所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述叉指电极层(2)的叉指为长方体。
7.如权利要求6所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述叉指电极层(2)的叉指的间距为20nm～100nm，叉指的宽度为20nm～100nm，所述叉指电极层(2)的厚度为100nm～1000nm。
8.如权利要求6所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述叉指电极层(2)是由金或银制成。
9.如权利要求1所述的一种由金属氧化物多孔薄膜和孔洞构成的复合结构气体传感器，其特征在于：所述金属氧化物层(3)是氧化铁(Fe2O3)、氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)、四氧化三钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、氧化钛(TiO2)、氧化钼(MoO3)、氧化锡(SnO2)中的一种或多种组成。
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