專利名稱：納米氧化鋅多功能氣敏傳感器件及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多功能氣敏傳感器件及其制作方法。
背景技術：
近年來的研究表明，持久性有機污染物不僅對于自然環境下的生物代謝、光降解、化 學分解等具有很強的抵抗能力，而且容易在脂肪組織中發生生物蓄積，引發、、三致"效應(致
癌、致畸、致突變)，并且能夠導致生物體內分泌紊亂、生殖及免疫機能失調，對生態環 境和人體健康造成不可逆轉的嚴重危害。因此對持久性有機污染物的及時檢測和防止就顯 得尤其重要。其中，氯苯就是常見的一種持久性有機污染物。據文獻資料報道，氯苯通常 需要采用氣相色譜法進行分析和檢測。雖然儀器檢測具有靈敏度高、準確性強等優點，但 由于儀器體積龐大、價格昂貴，而且測試準備工作繁瑣，不利于現場實時檢測，因而其應 用受到了限制。因此如何快速、實時地檢測氯苯成為擺在人們面前的一個難題。半導體金 屬氧化物氣敏傳感器由于具備靈敏度高、響應快，體積小，制作簡單等優點被廣泛的應用。 目前，開發新的氣敏材料和新的氣敏傳感器，使傳感器更加微型化和多功能化，已成為國 內外半導體氣敏傳感器發展的主要方向之一。現今國內外市場上開發生產的氣敏傳感器， 大多是單一型的傳感器，即僅能在一定工作溫度下對某一種氣體有響應。針對這一現狀，
多功能氣敏傳感器的探索研究和開發推廣將會有很大的市場前景。
發明內容
本發明提供了一種以片狀多孔結構的納米氧化鋅為氣敏材料基材，制作工藝簡單的多 功能氣敏傳感器件及其制作方法。
本發明的多功能氣敏傳感器件，采用旁熱式器件結構，以氧化鋁陶瓷管為載體，外表 面敷有叉狀金電極，兩端有鉑金絲引出電極；陶瓷管內有加熱絲，陶瓷管外涂附有氣敏材 料，所述氣敏材料是片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體。
所述片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體的制備可參考CN101177296 (200710114004.2) "片狀多孔結構的Zn0納米粉體的制備方法"。該Zn0納米粉體為六方相的片狀多孔結構， 屬于六方晶系。
優選的，上述的加熱絲是一根鎳鉻合金線圈，安置在陶瓷管內，用以加熱陶瓷管。 所述氣敏材料層厚度在微米數量級即可。 本發明多功能氣敏傳感器件的制作方法，步驟如下
(1) 氧化鋁陶瓷管依次用去離子水、丙酮清洗干凈，晾干備用。
(2) 將氣敏材料片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體研細，加入去離子水調成糊狀漿料。
(3) 把步驟(2)的漿料均勻涂抹在步驟(1)的氧化鋁陶瓷管上，然后在200 400'C下燒結，使敏感層致密并且與陶瓷管接合緊致牢固，制成管芯。
(4)按照旁熱式器件常規工藝，將步驟(3)中敷有氣敏材料的氧化鋁陶瓷管芯進行 焊接、封裝、電老化，制成氣敏傳感器件。
將制成的氣敏傳感器件，在一定工作溫度下用HW-30A型氣敏測試儀測試氣敏傳感器 件的性能，測試氣氛采用靜態配氣法進行測定。
測試系統采用電流電壓測試法，基本測試原理如圖2所示。提供氣敏元件加熱電源Vh， 回路電源V e，通過測試氣敏元件串聯的負載電阻Rt的電壓V 。ut來反映氣敏元件的特性， 元件的加熱電壓可在較大范圍內調節，負載電阻為可換插卡式。傳感器在不同的阻值R與 Ri和V。ut的關系為R二(10-V。ut)R!/V。ut，當器件阻值變化時，可用取樣電阻、電壓變 化來表示。元件在所測氣體中的電阻Rg與在空氣中電阻Ra之比定義為靈敏度S，即S = Rg
(待測氣體氣氛中) /Ra (潔凈空氣中)o
本發明的氣敏傳感器件的技術特點如下
7、僅僅通過改變傳感器件的工作溫度，就能夠檢測氯苯和乙醇，實現氣敏傳感器件
的多功能化。即在150 °C<T<250 'C溫度范圍內，用于氯苯的檢測；而在250 °C<T<450 。C溫度范圍內，用于乙醇的檢測。
2、 本發明的氣敏傳感器件制作簡單、性能穩定，靈敏度高、選擇性好。在上述工作 溫度下，對其他常見氣體，如一氧化碳、甲烷、氨氣、汽油等均不敏感。
3、 實驗證明采用本發明的片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體作敏感材料，可成功制作 這種特殊的多功能氣敏傳感器件。而其他的納米氧化鋅粉體作為敏感材料則沒有多功能氣 敏特性。
與現有技術相比，本發明的優良效果如下
氣敏傳感器性能的優劣，主要取決于氣敏材料的性能。本發明使用片狀多孔結構的納 米氧化鋅作為氣敏材料基材，制作出的氣敏傳感器件靈敏度高、選擇性好，特別是解決了 氯苯的快速檢測的難題；本發明是以片狀多孔結構的納米氧化鋅為基材制作出的氣敏傳感 器件，可在不同工作溫度范圍內檢測氯苯和乙醇，不但能在較低的工作溫度下檢測氯苯， 還能夠在較高的工作溫度下檢測乙醇。
圖1是氣敏基材片狀多孔結構的納米氧化鋅的電鏡掃描照片。
圖2是氣敏性能檢測電路。其中,Vh:操作電壓；Ve:電路電壓；R1:負載電阻；V。ut:信 號電壓。Sensor:傳感器件
圖3旁熱式氣敏傳感器件示意圖。1.氧化鋁陶瓷管,2.鉑絲電極，，3.叉狀金電極，4. 加熱絲，5.氣敏材料。
圖4是本發明多功能氣敏傳感器件對100ppm氯苯和乙醇在不同工作溫度下的靈敏度 變化曲線。
圖5是本發明多功能氣敏傳感器件分別在20(TC和380。C時，對不同濃度的乙醇和氯苯的響應一恢復曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。 實施例l:片狀多孔ZnO納米粉體的制備
(1) 將二水合醋酸鋅原料溶于水中，配制0. 1M的醋酸鋅溶液，取該醋酸鋅溶液25 mL 于燒瓶中，在磁力攪拌下，滴加0.2 M尿素溶液25 mL，得混合液。
(2) 將步驟(l)得到的混合液燒瓶置于微波爐內，650W的功率下反應45min，反應溫 度為75'C,得的混濁液。
(3) 將步驟(2)所得的混濁液過濾，洗滌，干燥，得到堿式碳酸鋅前驅物。
(4) 將步驟(3)所得堿式碳酸鋅前驅物置于45(TC馬弗爐中焙燒2h，得片狀多孔ZnO納 米粉體。片狀多孔結構的納米氧化鋅的掃描電鏡照片如圖1。
實施例2:多功能氣敏傳感器件及制作方法 (O選用內徑為1.6mm，外徑為2mm，長約8mm的氧化鋁陶瓷管為載體，其表層 敷有叉狀金電極，兩端有鉑金絲引出電極。依次用去離子水、丙酮清洗干凈，晾干備用。
(2) 稱取大約5mg實施例1合成的片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體，研細后，加少 量去離子水調成糊狀，均勻涂附在上述氧化鋁陶瓷管上。敏感層厚度在微米數量級。
(3) 將(2)中的氧化鋁陶瓷管置于35(TC馬弗爐內燒結2h，制成管芯。
(4) 將一根鎳鉻加熱絲或其他加熱絲放入上述管芯內，并按照旁熱式器件常規工藝 進行焊接。將電極上的鉑絲引線和鎳鉻加熱絲分別焊在底座的相應位置上，最后將防爆網 固定在底座上封裝成型。結構如圖3所示。將封裝好的傳感器件進行電老化120小時后， 用HW-30A型氣敏測試儀測定氣敏傳感器件的性質。
通過調整加熱功率，改變工作溫度，測試該氣敏傳感器件在不同溫度下對100ppm的 氯苯和乙醇的靈敏度如圖4所示。發現隨著工作溫度的升高，氯苯的靈敏度也不斷升高， 在20(TC達到最大值，隨后靈敏度下降；而乙醇的靈敏度從250t:開始明顯升高，在38(TC 達到最大值，隨后靈敏度下降。因此，氯苯的最佳工作溫度范圍確定在150 °C<T<250 °C; 乙醇的最佳工作溫度范圍確定在250 °C<T<450 °C。
在20(TC和380。C最佳工作溫度下，分別測試100 ~ 250 ppm的氯苯和乙醇的響應變化 情況。當測試氣體濃度從100ppm增大到200ppm時，電壓響應隨之增大，而當測試氣體 濃度繼續增大時，則電壓響應趨向于飽和。如圖5所示。
從該氣敏傳感器件對IOO ppm的兩種氣體的響應一恢復曲線，可知氯苯的響應和恢 復時間分別為103 s和22 s;乙醇的響應和恢復時間分別為32 s和17 s。
權利要求
1. 一種氣敏傳感器件，采用旁熱式器件結構，以氧化鋁陶瓷管為載體，外表面敷有叉狀金電極，兩端有鉑金絲引出電極，陶瓷管內有加熱絲，陶瓷管外涂附有氣敏材料，所述氣敏材料是片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體。
2. 如權利要求1所述的氣敏傳感器件，其特征在于所述的加熱絲是鎳鉻合金線圈。
3. 權利要求1所述的氣敏傳感器件的制作方法，步驟如下(1) 氧化鋁陶瓷管依次用去離子水、丙酮清洗干凈，晾干備用；(2) 將氣敏材料片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體研細，加入去離子水調成糊狀漿料；(3) 把步驟(2)的漿料均勻涂抹在步驟(1)的氧化鋁陶瓷管上，然后在200 400'C下燒 結，制成管芯；(4) 按照旁熱式器件常規工藝，將步驟(3)制得的管芯進行焊接、封裝、電老化，制 成氣敏傳感器件。
全文摘要
本發明涉及一種納米氧化鋅多功能氣敏傳感器件及其制作方法，氣敏傳感器件采用旁熱式器件結構，以氧化鋁陶瓷管為載體，外表面敷有叉狀金電極，兩端有鉑金絲引出電極，陶瓷管內有加熱絲，陶瓷管外涂附有氣敏材料，所述氣敏材料是片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體。把涂附片狀多孔結構的納米氧化鋅粉體的氧化鋁陶瓷管在200～400℃下燒結，制成管芯，再按照旁熱式器件常規工藝，將管芯進行焊接、封裝、電老化，制成氣敏傳感器件。本發明的氣敏傳感器件可在不同工作溫度范圍內檢測氯苯和乙醇。
文檔編號G01N27/407GK101281159SQ200810016320
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者張淑芳, 景志紅 申請人:曲阜師范大學