CN114088779B - 一种抗有机硅中毒的双涂层h2传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，公开一种抗有机硅中毒的双涂层H2传感器及其制备方法。所述传感器为旁热式传感器，由Al2O3陶瓷管、两个环状金电极、四条铂丝引线、敏感内层、抗毒外层、铬镍加热丝、六脚管座组成；其中，敏感内层材料为纳米In2O3，抗毒外层材料为负载In2O3的氧化铝纤维。制备方法：（1）、制备敏感内层材料‑‑纳米In2O3；（2）、制备抗毒外层材料‑‑负载In2O3的氧化铝纤维；（3）、按旁热式传感器的制备工艺先涂覆敏感内层材料，再涂覆抗毒外层材料，制备双涂层H2传感器。本发明制备的传感器表现出良好的抗中毒性能，符合可燃气体探测器国家标准GB 15322.2‑2019对抗中毒性能的要求。
Description
技术领域
本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种抗有机硅中毒的双涂层H2传感器及其制备方法。
背景技术
在GB 15322.2-2019中规定，探测器在可燃气体浓度为1%LEL，和六甲基二硅醚蒸气浓度为(10±3) ×10-6(体积分数)的混合气体环境中工作40 min，期间探测器不应发出报警信号或故障信号。环境干扰后使探测器处于正常监视状态20 min，然后测量其报警动作值。探测器的报警动作值与报警设定值之差的绝对值不应大于10%LEL。之前的研究中表明HMDSO在不同温度下对气敏材料有失活作用，发现HMDSO起着缓蚀剂的作用，在950K以下会导致活性下降，而在950K以上则会对气敏材料产生严重的失活作用。到目前为止，关于HMDSO对气敏材料失活相关的表面改性的研究很少。
总之，抗有机硅中毒气体传感器研究刚刚起步，开展具有抗有机硅中毒能力的气体传感器的设计，对于扩大气体传感器的使用范围具有十分重要的科学意义。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种抗有机硅中毒的双涂层H2传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种抗有机硅中毒的双涂层H2传感器，所述传感器为旁热式传感器，由Al2O3陶瓷管（1）、两个环状金电极（2）、四条铂丝引线（3）、敏感内层（4）、抗毒外层（5）、铬镍加热丝（6）、六脚管座（7）组成；两个环状金电极（2）平行间隔设置在Al2O3陶瓷管（1）上，每个金电极（2）连接两条铂丝引线（3），敏感内层（4）涂覆于Al2O3陶瓷管（1）和金电极（2）的外表面，抗毒外层（5）涂覆于敏感内层（4）外表面，铬镍加热丝（6）穿过Al2O3陶瓷管（1）内部，铬镍加热丝（6）的两端和Al2O3陶瓷管（1）的四条铂丝引线（3）共同焊接在六脚管座（7）上；其中，敏感内层（4）材料为纳米In2O3，抗毒外层（5）材料为负载In2O3的氧化铝纤维。
较好地，抗毒外层（5）材料中，In2O3的负载率为30-70 wt%{负载率= In2O3的质量/( In2O3的质量+氧化铝纤维质量）*100%}。
较好地，敏感内层（4）的厚度为0.05-0.2 mm；抗毒外层（5）的厚度为0.05-0.3mm。
较好地，敏感内层（4）材料和/或抗毒外层（5）材料还包含有贵金属，该贵金属以其氧化态形式存在；所述贵金属为金属Pt、金属Pd、金属Au中的一种或几种；敏感内层（4）材料或抗毒外层（5）材料中，每一种贵金属以其单质计量，用量均为占对应材料中In2O3质量的0.5-2 wt%。
制备方法，体积份以mL计、质量份以g计，制备步骤如下：
（1）、制备敏感内层材料--纳米In2O3；
（2）、制备抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维：将1-3质量份的水溶性铟盐和0.5-2.5质量份的氧化铝纤维加入到100-300体积份的水中，搅拌溶解；再在搅拌下用氨水调节溶液pH至7-9，静置陈化后分离、洗涤、干燥，研磨后300-500 ℃烧结1-3 h，制得抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维；
（3）、制备双涂层氢气传感器：
（3.1）、在Al2O3陶瓷管（1）上平行间隔设置两个环状金电极（2），每个金电极（2）连接两条铂丝引线（3）；
（3.2）、取步骤（1）制备的敏感内层材料与水按质量比（1-3）∶1的比例混合均匀形成浆料，将浆料涂覆在步骤（3.1）所得Al2O3陶瓷管（1）外表面，在空气中自然风干后300-500℃烧结1-3 h，自然冷却，此时在Al2O3陶瓷管（1）外表面制得敏感内层（4）；
（3.3）、取步骤（2）制备的抗毒外层材料与水、无水乙醇按质量比（1-3）∶1∶1的比例混合均匀形成浆料，将浆料涂覆在步骤（3.2）所得敏感内层（4）外表面，随后采取与步骤（3.2）相同的风干和烧结步骤，自然冷却，此时在Al2O3陶瓷管（1）外表面的敏感内层（4）外表面制得抗毒外层（5）；
（3.4）、将一根铬镍加热丝（6）穿过步骤（3.3）所得Al2O3陶瓷管（1）内部，铬镍加热丝（6）的两端和四条铂丝引线（3）共同焊接在六脚管座（7）上，制得目标传感器。
进一步地，步骤（3.2）中，制备浆料时加入有浓度2.5-8 wt%的贵金属前驱体溶液；所述贵金属为金属Pt、金属Pd、金属Au中的一种或几种，所述贵金属前驱体为含贵金属的酸或者含贵金属的水溶性盐，每一种贵金属前驱体溶液的用量保证其提供的贵金属单质占敏感内层材料中In2O3质量的0.5-2 wt%。
进一步地，步骤（3.3）中，制备浆料时加入有浓度2.5-8 wt%的贵金属前驱体溶液；所述贵金属为金属Pt、金属Pd、金属Au中的一种或几种，所述贵金属前驱体为含贵金属的酸或者含贵金属的水溶性盐，每一种贵金属前驱体溶液的用量保证其提供的贵金属单质占抗毒外层材料中In2O3质量的0.5-2 wt%。
较好地，所述含贵金属的酸为H2PtCl6·H2O、HAuCl4，所述含贵金属的水溶性盐为(NH4)2PdCl4。
步骤（1）纳米In2O3可按现有技术制备，较好地，优选采用溶胶凝胶制备。
较好地，步骤（1）的过程为：
称取水溶性铟盐，配制成浓度0.05-0.3 mol/L的溶液，搅拌下用氨水调节溶液pH至7-9，获得溶胶，静置陈化后获得凝胶，洗涤、干燥，研磨后400-600 ℃烧结1-3 h，得到纳米In2O3粉体。
较好地，步骤（1）和/步骤（2）中，水溶性铟盐为硝酸铟或氯化铟。
较好地，步骤（1）和/步骤（2）中，干燥的温度为60-100 ℃、时间为8-12 h。
本发明的有益效果：
（1）、本发明采用溶胶凝胶法，所制备的In2O3材料粒径较小（10-20 nm），颗粒分散性好，有利于气体分子的扩散，具有较高的灵敏度和较短的响应恢复时间；
（2）、本发明为防止气敏材料的有机硅中毒，采用表面抗有机硅中毒层修饰的方法，在气敏材料表面涂覆了抗有机硅中毒层即负载In2O3的氧化铝纤维，这使得氢气气体传感器接触有机硅化合物时表现出良好的抗中毒性能；
（3）、本发明因在表面涂覆抗有机硅中毒层，在一定程度上提高了氢气气体传感器的灵敏度；
（4）、本发明符合可燃气体探测器国家标准GB 15322.2-2019对抗中毒性能的要求；
（5）、本发明制备工艺具有工艺简单、原料成本低、制备周期短等优点，可用于工业化、大批量生产。
附图说明
图1：本发明抗有机硅中毒的双涂层H2传感器的结构示意图；
图2：本发明实施例1制备的敏感内层材料-- In2O3的TEM图；
图3：实施例1制备的抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维的TEM图；
图4：本发明对比例1所得传感器抗有机硅前后的响应-恢复特性曲线；
图5：(a) 、(b) 、(c) 、(d)分别为本发明实施例1、实施例6、实施例7、实施例9所得传感器抗有机硅前后的响应-恢复特性曲线；
图6：本发明实施例1所得传感器对不同浓度的H2气体的气敏响应曲线；
图7：本发明对比例1和实施例1所得传感器对不同气体的选择性示意图。
具体实施方式
为使本发明更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种抗有机硅中毒的双涂层H2传感器，所述传感器为旁热式传感器，由Al2O3陶瓷管1、两个环状金电极2、四条铂丝引线3、敏感内层4、抗毒外层5、铬镍加热丝6、六脚管座7组成；两个环状金电极2平行间隔设置在Al2O3陶瓷管1上，每个金电极2上连接两条铂丝引线3，敏感内层4涂覆于Al2O3陶瓷管1外表面，抗毒外层5涂覆于敏感内层4外表面，铬镍加热丝6穿过Al2O3陶瓷管1内部，铬镍加热丝6的两端和Al2O3陶瓷管1的四条铂丝引线3共同焊接在六脚管座7上；其中，所述敏感内层4的材料为纳米In2O3，敏感内层4的厚度为0.1mm；所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维，抗毒外层5的厚度为0.15 mm。
制备方法，制备步骤如下：
（1）、制备敏感内层材料--纳米In2O3：称取1.5 g的In(NO3)3·4.5H2O并溶于50 mL去离子水中，磁力搅拌下缓慢滴加氨水（质量浓度28wt%，下同）调节溶液pH至7，获得溶胶，静置陈化后获得凝胶，分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，70 ℃干燥8 h，充分研磨后500 ℃烧结2 h，得到纳米In2O3粉体，其TEM图见图2，粒径在10-20 nm范围之内，颗粒分散性好；
（2）、制备抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维：称取1.5 g的In(NO3)3·4.5H2O、0.5 g Al2O3纤维棉依次加入到100 mL去离子水中，磁力搅拌下溶解；再在磁力搅拌下缓慢滴加氨水调节溶液pH至7，静置陈化后离心分离，分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，70 ℃干燥8 h，充分研磨后500 ℃烧结2 h，制得抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维，其TEM图见图3，可以清晰地看出，In2O3非常均匀地分散在Al2O3的表面；
（3）、制备双涂层氢气传感器：
（3.1）、在Al2O3陶瓷管1上平行间隔设置两个环状金电极2，每个金电极2连接两条铂丝引线3；
（3.2）、取步骤（1）制备的敏感内层材料1 g于玛瑙研钵中充分研磨后，加1 mL水，混合均匀形成浆料，用毛刷蘸取浆料涂覆在步骤（3.1）所得Al2O3陶瓷管1外表面，在空气中自然风干后500 ℃烧结2 h，自然冷却，此时在Al2O3陶瓷管1外表面制得敏感内层4；
（3.3）、取步骤（2）制备的抗毒外层材料1 g于玛瑙研钵中充分研磨后，加1 mL水、1mL无水乙醇，混合均匀形成浆料，将浆料涂覆在步骤（3.2）所得敏感内层4外表面，随后采取与步骤（3.2）相同的风干和烧结步骤，自然冷却，此时在Al2O3陶瓷管1外表面的敏感内层4外表面制得抗毒外层5；
（3.4）、将一根铬镍加热丝6穿过步骤（3.3）所得Al2O3陶瓷管1内部，铬镍加热丝（6）的两端和四条铂丝引线3共同焊接在六脚管座7上，制得目标传感器。
对比例1
所述传感器的结构与实施例1传感器的结构的不同之处在于：没有抗毒外层5；对应地，制备方法中省略了步骤（2）以及步骤（3.3）即步骤（3.2）之后直接跳过步骤（3.3）进行步骤（3.4）。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，Al2O3纤维棉的用量为1 g。其它均同实施例1。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，Al2O3纤维棉的用量为1.5 g。其它均同实施例1。
实施例4
与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，Al2O3纤维棉的用量为2 g。其它均同实施例1。
实施例5
与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，Al2O3纤维棉的用量为2.5 g。其它均同实施例1。
实施例6
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维和PtO2，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25 mL 质量浓度2.5 %的H2PtCl6·H2O水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
实施例7
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维和PdO，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25 mL质量浓度2.5 %的 (NH4)2PdCl4水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
实施例8
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维和Au2O3，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25 mL 质量浓度2.5 %的HAuCl4水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
实施例9
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维、PtO2和PdO，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25 mL质量浓度2.5 %的H2PtCl6·H2O水溶液和0.25 mL质量浓度2.5 %的 (NH4)2PdCl4水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
实施例10
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维、PtO2和Au2O3，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25 mL质量浓度2.5 %的H2PtCl6·H2O水溶液和0.25 mL 质量浓度2.5 %的HAuCl4水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
实施例11
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维、PdO和Au2O3，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25 mL 质量浓度2.5 %的(NH4)2PdCl4水溶液和0.25 mL 质量浓度2.5 %的HAuCl4水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
实施例12
与实施例1的不同之处在于：所述抗毒外层5的材料为负载In2O3的氧化铝纤维、PtO2、PdO和Au2O3，对应地，步骤（3.3）中，抗毒外层材料于玛瑙研钵中充分研磨后，加入0.25mL质量浓度2.5 %的 H2PtCl6·H2O水溶液、0.25 mL 质量浓度2.5 %的(NH4)2PdCl4水溶液和0.25 mL质量浓度2.5 %的 HAuCl4水溶液，随后再加水和无水乙醇调制成浆料。其它均同实施例1。
性能测试
采用静态配气法通过气体传感器测试仪（WS-30A，郑州炜盛电子科技有限公司）测试传感器性能。
试验一：将对比例1和实施例1、实施例6、实施例7、实施例9所得传感器在空气中稳定120 s后向18 L的配气箱中注入7.2 mL氢气，80 s后再向配气箱中注入1.71 μLHMDSO，计时40 min后将传感器元件重新暴露在空气环境中，记录实验过程中传感器元件电压的变化情况。
图4为对比例1所得传感器抗有机硅前后的响应-恢复特性曲线，图5（a）为实施例1所得传感器抗有机硅前后的响应-恢复特性曲线。可知：对比例1在毒化前后Va、Vg两项指标都发生变化（Va，Vg分别为传感器元件在空气气氛和目标气氛中的电压值）；实施例1在毒化前后Va、Vg两项指标几乎没有变化。根据串联电路的电路规律可知，实施例1的Ra、Rg两项指标也将保持稳定；根据公式SR=Ra/Rg可知，实施例1的SR也必将保持稳定，表明：实施例1所得传感器Va、Vg、Ra、Rg、SR等多项指标在毒化前后均可保持稳定，与对比例1相比，有着良好的抗有机硅中毒性能。
图5的(b) 、(c) 、(d)分别为实施例6、实施例7和实施例9所得传感器抗有机硅前后的响应-恢复特性曲线。与图5（a）类似，实施例6、实施例7和实施例9所得传感器在在毒化前后Ra、Rg两项指标几乎没有变化，表明实施例6、实施例7和实施例9所得传感器也有着良好的抗有机硅中毒性能。
试验二：将实施例1所得传感器暴露在不同浓度的H2气氛中120 s（每次暴露在H2气氛之后都让传感器在空气气氛恢复120 s，然后再继续暴露在更高浓度的H2气氛中），H2气体浓度从100 ppm（18 L的配气箱中注入1.8 mL氢气）开始，每次增加100 ppm（18 L的配气箱中注入1.8 mL氢气），直至1000 ppm（18 L的配气箱中注入18 mL氢气）；图6为实施例1所得传感器对不同浓度的H2气体的气敏响应曲线。可知：实施例1传感器有着极短的响应恢复时间和良好的吸脱附能力。
试验三：将对比例1和实施例1传感器分别暴露在100 ppm氢气（18 L的配气箱中注入1.8 mL氢气）、100 ppm甲烷（18 L的配气箱中注入1.8 mL甲烷）、100 ppm NH3（18 L的配气箱中注入12 μL NH3·H2O）、100 ppm 乙醇（18 L的配气箱中注入5.8 μL乙醇）气氛中120 s，将传感器测试系统读取的元件电阻值取平均值，根据公式SR=Ra/Rg（Ra，Rg分别为传感器元件在空气气氛和目标气氛中的电阻值），计算出对比例1和实施例1中传感器1对不同种类气体的电阻灵敏度SR。
图7为对比例1和实施例1传感器对氢气、甲烷、氨气、乙醇气体的电阻灵敏度。可知：对比例1和实施例1传感器对氢气气体均具备较高的选择性，对干扰气体（甲烷、氨气、乙醇）的相对灵敏度较低。
Claims (7)
1. 一种抗有机硅中毒的双涂层H2传感器，其特征在于：所述传感器为旁热式传感器，由Al2O3陶瓷管（1）、两个环状金电极（2）、四条铂丝引线（3）、敏感内层（4）、抗毒外层（5）、铬镍加热丝（6）、六脚管座（7）组成；两个环状金电极（2）平行间隔设置在Al2O3陶瓷管（1）上，每个金电极（2）连接两条铂丝引线（3），敏感内层（4）涂覆于Al2O3陶瓷管（1）和金电极（2）的外表面，抗毒外层（5）涂覆于敏感内层（4）外表面，铬镍加热丝（6）穿过Al2O3陶瓷管（1）内部，铬镍加热丝（6）的两端和Al2O3陶瓷管（1）的四条铂丝引线（3）共同焊接在六脚管座（7）上；其中，敏感内层（4）材料为采用溶胶凝胶法制备的纳米In2O3，抗毒外层（5）材料为负载In2O3的氧化铝纤维；抗毒外层（5）材料中，In2O3的负载率为30-70 wt%；敏感内层（4）的厚度为0.05-0.2 mm，抗毒外层（5）的厚度为0.05-0.3 mm。
2. 如权利要求1所述的抗有机硅中毒的双涂层H2传感器，其特征在于：敏感内层（4）材料和/或抗毒外层（5）材料还包含有贵金属，该贵金属以其氧化态形式存在；所述贵金属为金属Pt、金属Pd、金属Au中的一种或几种；敏感内层（4）材料或抗毒外层（5）材料中，每一种贵金属以其单质计量，用量均为占对应材料中In2O3质量的0.5-2 wt%。
3.一种如权利要求1所述的抗有机硅中毒的双涂层H2传感器的制备方法，其特征在于，体积份以mL计、质量份以g计，制备步骤如下：
（1）、采用溶胶凝胶法制备敏感内层材料--纳米In2O3；
（2）、制备抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维：将1-3质量份的水溶性铟盐和0.5-2.5质量份的氧化铝纤维加入到100-300体积份的水中，搅拌溶解；再在搅拌下用氨水调节溶液pH至7-9，静置陈化后分离、洗涤、干燥，研磨后300-500 ℃烧结1-3 h，制得抗毒外层材料--负载In2O3的氧化铝纤维；
（3）、制备双涂层氢气传感器：
（3.1）、在Al2O3陶瓷管（1）上平行间隔设置两个环状金电极（2），每个金电极（2）连接两条铂丝引线（3）；
（3.2）、取步骤（1）制备的敏感内层材料与水按质量比（1-3）∶1的比例混合均匀形成浆料，将浆料涂覆在步骤（3.1）所得Al2O3陶瓷管（1）外表面，在空气中自然风干后300-500 ℃烧结1-3 h，自然冷却，此时在Al2O3陶瓷管（1）外表面制得敏感内层（4）；
（3.3）、取步骤（2）制备的抗毒外层材料与水、无水乙醇按质量比（1-3）∶1∶1的比例混合均匀形成浆料，将浆料涂覆在步骤（3.2）所得敏感内层（4）外表面，随后采取与步骤（3.2）相同的风干和烧结步骤，自然冷却，此时在Al2O3陶瓷管（1）外表面的敏感内层（4）外表面制得抗毒外层（5）；
（3.4）、将一根铬镍加热丝（6）穿过步骤（3.3）所得Al2O3陶瓷管（1）内部，铬镍加热丝（6）的两端和四条铂丝引线（3）共同焊接在六脚管座（7）上，制得目标传感器。
4. 如权利要求3所述的抗有机硅中毒的双涂层H2传感器的制备方法，其特征在于：步骤（3.2）中，制备浆料时加入有浓度2.5-8 wt%的贵金属前驱体溶液；所述贵金属为金属Pt、金属Pd、金属Au中的一种或几种，所述贵金属前驱体为含贵金属的酸或者含贵金属的水溶性盐，每一种贵金属前驱体溶液的用量保证其提供的贵金属单质占敏感内层材料中In2O3质量的0.5-2 wt%。
5. 如权利要求3所述的抗有机硅中毒的双涂层H2传感器的制备方法，其特征在于：步骤（3.3）中，制备浆料时加入有浓度2.5-8 wt%的贵金属前驱体溶液；所述贵金属为金属Pt、金属Pd、金属Au中的一种或几种，所述贵金属前驱体为含贵金属的酸或者含贵金属的水溶性盐，每一种贵金属前驱体溶液的用量保证其提供的贵金属单质占抗毒外层材料中In2O3质量的0.5-2 wt%。
6.如权利要求4或5所述的抗有机硅中毒的双涂层H2传感器的制备方法，其特征在于：所述含贵金属的酸为H2PtCl6·H2O、HAuCl4，所述含贵金属的水溶性盐为(NH4)2PdCl4。
7.如权利要求3所述的抗有机硅中毒的双涂层H2传感器的制备方法，其特征在于：步骤（1）的过程为：
称取水溶性铟盐，配制成浓度0.05-0.3 mol/L的溶液，搅拌下用氨水调节溶液pH至7-9，获得溶胶，静置陈化后获得凝胶，洗涤、干燥，研磨后400-600 ℃烧结1-3 h，得到纳米In2O3粉体。
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