一種基于疊層結構的高性能氣敏傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于氣敏傳感器領域，具體涉及一種疊層結構的氣敏傳感器及其制備方法。本發明制備方法簡單，并可以有效地提高氣敏傳感器的性能。
【背景技術】
[0002]氣敏傳感器是一種能夠感知環境中某種氣體及其濃度并將氣體種類和濃度的有關信息轉換成電信號從而進行檢測、監控、分析、報警的裝置或器件。近年來，氣敏傳感器廣泛應用于食品安全、環境監測、公共安全、過程控制等一系列重大需求領域中，具有廣泛的應用前景。
[0003]隨著氣敏傳感器研宄的深入以及應用的需求，氣敏傳感器領域目前研宄的熱點是降低檢測極限，提高敏感度，提高響應恢復速度，降低工作溫度等。傳統的材料目前已經無法達到要求，對傳統材料進行改性是目前研宄的重點，具體的改性方法包括納米化、摻雜、修飾和復合等方法。在這些方法中，采用多種材料復合是一種較為有效地提高氣敏性能的方式，因為復合可以利用不同材料的優點。
[0004]在氣敏響應過程中，氣體分子與敏感材料之間的反應使得氣敏材料電阻發生變化。這個過程包含兩個子過程，一是氣敏材料與氣體分子之間的反應，二是氣敏材料電阻的變化。氣敏材料與氣體分子之間的反應越劇烈，同時氣敏材料電阻變化越劇烈，才會導致整體氣敏性能好。采用復合的方式對于氣敏材料的改性的確會加速氣敏反應，但復合過程使得兩相雜亂無章的排布，這種情況往往會降低氣敏材料電阻的變化。例如，當氧化鋅和氧化鈦復合時，形成的復合材料有助于加速對甲醛氣體的氣敏反應，即實現了加速“子過程一”的目的。但氧化鈦與氧化鋅在復合體系中雜亂無章的排布，又由于在兩相接觸的界面形成的勢皇會阻止電荷的傳輸，綜合上述的原因會使得氣敏材料整體的電阻變化并不明顯，并未實現加速“子過程二”的目的。這樣一來，這種復合方式雖然在一定程度上提高了整體的氣敏響應，但并未發揮兩個材料的最大優點。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的問題是克服現有復合方法中并不能完全發揮兩種材料特性的技術弊端，提供一種氣敏傳感器，它具備有序的疊層結構，以大幅度提供其敏感度和響應恢復時間；本發明還提供了該氣敏傳感器的制備方法。
[0006]本發明提供的氣敏傳感器，包括基板和電極，其特征在于，在基板上依次疊置有導電層和敏感層，形成有序的疊層結構；所述電極置于基板上且位于所述導電層兩端，所述敏感層作為氣敏響應反應的場所，敏感層內摻雜有由敏化劑形成的敏化點，敏化劑對敏感層進行修飾，以提高氣敏傳感器的敏感度和響應恢復時間。
[0007]本發明提供的的氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0008](I)基板的制備:
[0009]選擇氧化鋁、氧化硅、玻璃或藍寶石惰性材料作為基板，將基板在丙酮溶液中超聲清洗去除表面污漬，然后取出基板用去離子水清洗掉殘留的有機溶液；
[0010]采用絲網印刷或是掩模光刻的方式在基板上制作金屬導電電極，得到傳感器基板；
[0011](2)導電層制備:
[0012]選取氧化錫或氧化鋅作為原料，采用絲網印刷、水熱合成或激光脈沖沉積方式在傳感器基板上制作一層導電層材料；
[0013](3)敏感層制備:
[0014]選取三氧化鎢、二氧化鈦、氧化銅或氧化鈷作為原料，采用絲網印刷、水熱合成或激光脈沖沉積方式在所述導電層上制作一層敏感層；
[0015](4)敏感層修飾:
[0016]選取鈀、鉑的氯化物，鈀、鉑的硝酸鹽，硫化鎘，或者錫化鎘作為敏化劑，采用滴注或浸泡的方式對敏感層進行修飾，并在300?600°C經過2?4小時煅燒得到有序疊層結構的氣敏傳感器。
[0017]按照本方法制備的氣敏傳感器具有有序的疊層結構，其導電層可以作為電子的導電通道，敏感層作為氣敏響應反應的場所。相比傳統的復合方式，疊層復合可以利用氧化錫、氧化鋅導電性好的特點，將敏感層發生氣敏反應后產生的電子濃度的變化通過導電層迅速傳遞給外電路，有效地提高氣敏傳感器響應恢復速度。另外，采用敏化劑對敏感層進行修飾可以進一步提高氣敏傳感器的響應度，降低檢測極限。本發明采用雙管齊下的方式提高氣敏傳感器性能。
【附圖說明】
[0018]圖1為基于疊層結構的高性能氣敏傳感器示意圖；
[0019]圖中，I為基板，2為電極，3為導電層，4為敏感層，5為敏化點。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示，本發明提供的基于異質結構的有序復合氣敏傳感器的結構為:在基板I上依次疊置有導電層3和敏感層4，基板上還設置有電極2，導電層3的材料為氧化鋅或氧化錫。敏感層4材料為三氧化鎢、二氧化鈦、氧化銅或氧化鈷，在敏感層4內摻雜有由鈀、鉑的氯化物、硝酸鹽，硫化鎘或錫化鎘作為敏化劑形成的敏化點5。這種結構不同于傳統的復合模式，復合的結構是采用層狀堆疊的模式，且每一層都有其特定的用途。
[0022]敏感層是氣敏反應發生的主要場所，敏感層材料與環境中氣體分子反應時得失電子的過程會導致敏感層電性能的變化，這個變化就是敏感層材料的氣敏性能。因此敏感層選用的是具有良好氣敏性能的敏感材料，并采用敏化劑進一步提高敏感層的活性。導電層是傳導電荷的通道，相比于敏感層，導電層材料的電導率高于敏感層，使得敏感層發生氣敏反應后產生的電子濃度的變化通過導電層快速傳遞給外電路，提高敏感層的氣敏反應速度。同時敏感層與導電層不同材料之間形成的異質結可以提高電荷分離的效果，有利于提升氣敏反應。因此，相對于傳統復合方式，采用有序疊層復合的方式一方面保留了傳統復合方式帶來的異質結電荷分離的效果，另一方面能最大發揮兩種材料各自的特性，進一步提升傳感器的敏感度和響應恢復時間。
[0023]本發明提供的一種基于異質結構的有序復合氣敏傳感器制備方法，具體包括以下步驟:
[0024](I)基板的制備:
[0025]選擇氧化鋁、氧化硅、玻璃或藍寶石惰性材料作為基板，將基板在丙酮溶液中超聲清洗去除表面污漬，然后取出基板用去離子水清洗掉殘留的有機溶液。
[0026]采用絲網印刷或是掩模光刻的方式在基板上制作金屬導電電極，如金、銀、鉑，得到傳感器基板。
[0027](2)導電層制備:
[0028]選取氧化錫或氧化鋅作為原料，采用絲網印刷、水熱合成、激光脈沖沉積方式在傳感器基板上制作一層導電層材料。