[发明专利]纳米氧化锌多功能气敏传感器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多功能气敏传感器件及其制作方法。

背景技术

近年来的研究表明，持久性有机污染物不仅对于自然环境下的生物代谢、光降解、化学分解等具有很强的抵抗能力，而且容易在脂肪组织中发生生物蓄积，引发″三致″效应(致癌、致畸、致突变)，并且能够导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调，对生态环境和人体健康造成不可逆转的严重危害。因此对持久性有机污染物的及时检测和防止就显得尤其重要。其中，氯苯就是常见的一种持久性有机污染物。据文献资料报道，氯苯通常需要采用气相色谱法进行分析和检测。虽然仪器检测具有灵敏度高、准确性强等优点，但由于仪器体积庞大、价格昂贵，而且测试准备工作繁琐，不利于现场实时检测，因而其应用受到了限制。因此如何快速、实时地检测氯苯成为摆在人们面前的一个难题。半导体金属氧化物气敏传感器由于具备灵敏度高、响应快，体积小，制作简单等优点被广泛的应用。目前，开发新的气敏材料和新的气敏传感器，使传感器更加微型化和多功能化，已成为国内外半导体气敏传感器发展的主要方向之一。现今国内外市场上开发生产的气敏传感器，大多是单一型的传感器，即仅能在一定工作温度下对某一种气体有响应。针对这一现状，多功能气敏传感器的探索研究和开发推广将会有很大的市场前景。

发明内容

本发明提供了一种以片状多孔结构的纳米氧化锌为气敏材料基材，制作工艺简单的多功能气敏传感器件及其制作方法。

本发明的多功能气敏传感器件，采用旁热式器件结构，以氧化铝陶瓷管为载体，外表面敷有叉状金电极，两端有铂金丝引出电极；陶瓷管内有加热丝，陶瓷管外涂附有气敏材料，所述气敏材料是片状多孔结构的纳米氧化锌粉体。

所述片状多孔结构的纳米氧化锌粉体的制备可参考CN101177296(200710114004.2)“片状多孔结构的ZnO纳米粉体的制备方法”。该ZnO纳米粉体为六方相的片状多孔结构，属于六方晶系。

优选的，上述的加热丝是一根镍铬合金线圈，安置在陶瓷管内，用以加热陶瓷管。

所述气敏材料层厚度在微米数量级即可。

本发明多功能气敏传感器件的制作方法，步骤如下：

(1)氧化铝陶瓷管依次用去离子水、丙酮清洗干净，晾干备用。

(2)将气敏材料片状多孔结构的纳米氧化锌粉体研细，加入去离子水调成糊状浆料。

(3)把步骤(2)的浆料均匀涂抹在步骤(1)的氧化铝陶瓷管上，然后在200～400℃下烧结，使敏感层致密并且与陶瓷管接合紧致牢固，制成管芯。

(4)按照旁热式器件常规工艺，将步骤(3)中敷有气敏材料的氧化铝陶瓷管芯进行焊接、封装、电老化，制成气敏传感器件。

将制成的气敏传感器件，在一定工作温度下用HW-30A型气敏测试仪测试气敏传感器件的性能，测试气氛采用静态配气法进行测定。

测试系统采用电流电压测试法，基本测试原理如图2所示。提供气敏元件加热电源V_h，回路电源V_c，通过测试气敏元件串联的负载电阻R₁的电压V_out来反映气敏元件的特性，元件的加热电压可在较大范围内调节，负载电阻为可换插卡式。传感器在不同的阻值R与R₁和V_out的关系为：R＝(10-V_out)R₁/V_out，当器件阻值变化时，可用取样电阻、电压变化来表示。元件在所测气体中的电阻Rg与在空气中电阻Ra之比定义为灵敏度S，即S＝Rg_{(待测气体气氛中)}/Ra_{(洁净空气中)}。

本发明的气敏传感器件的技术特点如下：

1、仅仅通过改变传感器件的工作温度，就能够检测氯苯和乙醇，实现气敏传感器件的多功能化。即在150℃＜T＜250℃温度范围内，用于氯苯的检测；而在250℃＜T＜450℃温度范围内，用于乙醇的检测。

2、本发明的气敏传感器件制作简单、性能稳定，灵敏度高、选择性好。在上述工作温度下，对其他常见气体，如一氧化碳、甲烷、氨气、汽油等均不敏感。

3、实验证明采用本发明的片状多孔结构的纳米氧化锌粉体作敏感材料，可成功制作这种特殊的多功能气敏传感器件。而其他的纳米氧化锌粉体作为敏感材料则没有多功能气敏特性。

与现有技术相比，本发明的优良效果如下：