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二氧化碳氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣敏響應較快的二氧化碳氣體傳感器及其制備方法。該二氧化碳氣體傳感器，包括襯底，所述襯底的上表面設置有叉指電極，所述叉指電極表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續薄膜，所述非連續薄膜表面沉積有氧化石墨烯構成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極接觸。利用顆粒狀支撐體將二氧化碳敏感薄膜撐起，使得二氧化碳氣體分子能夠在三維方向上和氧化石墨烯材料接觸，有效地提高了二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳氣體分子的響應，氣敏響應較快，而且有利于二氧化碳氣體的解吸附，同時改善了二氧化碳氣體傳感器的性能受限于敏感薄膜厚度的情況。適合在傳感器【技術領域】推廣應用。
【專利說明】二氧化碳氣體傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器【技術領域】，具體涉及一種二氧化碳氣體傳感器及其制備方法。【背景技術】
[0002]自20世紀末人類進入信息社會以來，人們的一切活動都是以信息獲取與信息交換為中心，作為信息技術的基礎與三大支柱之一的傳感器技術也進入高速發展的新時期。
[0003]由于叉指電極對涂覆在其上的薄膜電阻、電解質變化響應極其靈敏，因此基于叉指電極的電阻型、電容型氣體傳感器如雨后春筍般涌現。現有的二氧化碳氣體傳感器一般包括襯底和襯底表面設置的叉指電極，在叉指電極表面沉積一層氧化石墨烯膜，這種現有的電阻型氣體傳感器在使用過程中存在以下問題:由于氧化石墨烯膜是直接沉積在叉指電極的表面，這就是使得氧化石墨烯膜厚度較小，而且薄膜底層的敏感材料也不能和待測氣體或蒸汽分子充分接觸，造成氣體傳感器的氣敏響應較慢，待測氣體或蒸汽分子的解吸附不充分，響應、恢復時間很長。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種氣敏響應較快的二氧化碳氣體傳感器。
[0005]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:該二氧化碳氣體傳感器，包括襯底，所述襯底的上表面設置有叉指電極，所述叉指電極表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續薄膜，所述非連續薄膜表面沉積有氧化石墨烯構成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極接觸。
[0006]進一步的是，所述顆粒狀支撐體為氧化鋅顆粒。
[0007]進一步的是，所述襯底采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0008]本發明還提供了一種制備上述二氧化碳氣體傳感器的方法，具體方案如下:該二氧化碳氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0009]A、制備醋酸鋅溶膠；
[0010]B、將醋酸鋅溶膠沉積在叉指電極上，所述叉指電極固定在襯底上；
[0011]C、將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極放置在高溫環境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒；
[0012]D、將氧化石墨烯溶液沉積在經過步驟C處理后的叉指電極表面，并進行干燥處理。
[0013]進一步的是，在步驟A中，采用溶膠凝膠法制備醋酸鋅溶膠，具體如下:將適量的二水合乙酸鋅溶于定量的無水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作為穩定劑并攪拌一段時間得到前驅液，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸鋅溶膠。
[0014]進一步的是，在步驟B中，將醋酸鋅溶膠通過氣噴成膜的工藝沉積在叉指電極上。
[0015]進一步的是，在步驟C中，將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極放置在溫度為300°C的環境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒。[0016]進一步的是,在步驟D中，將氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經過步驟C處理后的叉指電極表面。
[0017]進一步的是，在步驟D中，所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
[0018]本發明的有益效果:通過在叉指電極表面沉積由顆粒狀支撐體形成的非連續薄膜，所述非連續薄膜表面沉積有氧化石墨烯構成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極接觸，利用顆粒狀支撐體將二氧化碳敏感薄膜撐起，使得二氧化碳氣體分子能夠在三維方向上和氧化石墨烯材料接觸，使氧化石墨烯材料和二氧化碳氣體分子接觸更充分，有效地提高了二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳氣體分子的響應，氣敏響應較快，而且有利于二氧化碳氣體的解吸附，同時改善了二氧化碳氣體傳感器的性能受限于敏感薄膜厚度的情況，另外，該二氧化碳氣體傳感器是在室溫下進行測試的，不需要在特定的溫度下進行，便于進行相關的實驗操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是現有的二氧化碳氣體傳感器的結構示意圖；
[0020]圖2是本發明所述的二氧化碳氣體傳感器的結構示意圖；
[0021]圖3是本發明所述的二氧化碳氣體傳感器和現有的二氧化碳氣體傳感器對不同濃度的C02氣體氣敏響應的柱狀對比圖；
[0022]圖中標記說明:襯底1、叉指電極2、二氧化碳敏感薄膜3、非連續薄膜4。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0024]如圖2所示，該二氧化碳氣體傳感器，包括襯底1，所述襯底I的上表面設置有叉指電極2，所述叉指電極2表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續薄膜4，所述非連續薄膜4表面沉積有氧化石墨烯構成的二氧化碳敏感薄膜3，所述二氧化碳敏感薄膜3通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極2接觸。該二氧化碳氣體傳感器在使用時將其置于測試腔中，采用干燥空氣作為載氣和稀釋氣體，并用MT50-4J流量顯示儀或MF-3C動態配氣系統調節二氧化碳氣體的濃度，用多路信號采集器采集相應的電阻信號，所述叉指電極2作為傳感器信號的輸出端與讀出裝置或者計算機連接，根據二氧化碳敏感薄膜3的特性通過電阻形式輸出傳感器信號，測試溫度為室溫。通過在叉指電極2表面沉積由顆粒狀支撐體形成的非連續薄膜4，所述非連續薄膜4表面沉積有氧化石墨烯構成的二氧化碳敏感薄膜3，所述二氧化碳敏感薄膜3通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極2接觸，利用顆粒狀支撐體將二氧化碳敏感薄膜3撐起，使得二氧化碳氣體分子能夠在三維方向上和氧化石墨烯材料接觸，使氧化石墨烯材料和二氧化碳氣體分子接觸更充分，有效地提高了二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳氣體分子的響應，氣敏響應較快，而且有利于二氧化碳氣體的解吸附，同時改善了二氧化碳氣體傳感器的性能受限于二氧化碳敏感薄膜3厚度的情況，另外，該二氧化碳氣體傳感器是在室溫下進行測試的，不需要在特定的溫度下進行，便于進行相關的實驗操作。
[0025]所述顆粒狀支撐體可以采用現有的各種金屬化氧化物，為了使二氧化碳氣體傳感器的氣敏響應更加快速準確，所述顆粒狀支撐體優選為氧化鋅顆粒，所述襯底I采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0026]本發明還提供了一種制備上述二氧化碳氣體傳感器的方法，具體方案如下:該二氧化碳氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0027]A、制備醋酸鋅溶膠；
[0028]B、將醋酸鋅溶膠沉積在叉指電極2上，所述叉指電極2固定在襯底I上；
[0029]C、將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極2放置在高溫環境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋒顆粒；
[0030]D、將氧化石墨烯溶液沉積在經過步驟C處理后的叉指電極2表面，這樣小部分氧化石墨烯材料透過氧化鋅顆粒之間的間隙和叉指電極2相接觸以形成導電通路，大部分氧化石墨烯材料和叉指電極2不直接接觸，而是沉積在形成的氧化鋅顆粒表面上，最后進行干燥處理。根據上述步驟可以很方便的制備出本發明所述的基于叉指電極2的電阻型氣體傳感器，而且整個制作過程工藝簡單，便于操作。
[0031]在上述實施方式中，所述醋酸鋅溶膠可以采用現有的各種方法實現，作為優選的是:在步驟A中，采用溶膠凝膠法制備醋酸鋅溶膠，具體如下:將適量的二水合乙酸鋅溶于定量的無水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作為穩定劑并攪拌一段時間得到前驅液，攪拌采用磁力攪拌的方式進行，攪拌時間為兩個小時，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸鋅溶膠，加入冰醋酸和氨水可以調節醋酸鋅溶膠的PH值。
[0032]為了保證加工質量，避免最后形成的氧化鋅顆粒脫落，在步驟B中，將醋酸鋅溶膠通過氣噴成膜的工藝沉積在叉指電極2上。
[0033]為了能夠形成直徑較大的氧化鋅顆粒，從而提高其支撐效果，在步驟C中，將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極2放置在溫度為300°C的環境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒。
[0034]為了保證加工質量，避免最后形成的敏感薄膜3脫落，在步驟D中，將氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經過步驟C處理后的叉指電極2表面。
[0035]進一步的是，在步驟D中，所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
[0036]經過大量實驗驗證后，得出本發明所述的二氧化碳氣體傳感器和現有的二氧化碳氣體傳感器對不同濃度的CO2氣體氣敏響應的柱狀對比圖，如圖3所示，縱坐標為氣敏響應的靈敏度值，橫坐標為二氧化碳的濃度值，RGO表示氧化石墨烯，ZnO表示氧化鋅，現有的二氧化碳氣體傳感器是沒有氧化鋅顆粒構成的非連續薄膜4，由圖中可以看出，本發明所述的二氧化碳氣體傳感器對CO2氣體的氣敏響應和現有的二氧化碳氣體傳感器相比提高了將近200%,且利于待測氣體分子的解吸附。
【權利要求】
1.二氧化碳氣體傳感器，包括襯底(I )，所述襯底(I)的上表面設置有叉指電極(2)，其特征在于:所述叉指電極(2)表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續薄膜(4)，所述非連續薄膜(4)表面沉積有氧化石墨烯構成的二氧化碳敏感薄膜(3)，所述二氧化碳敏感薄膜(3)通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極(2 )接觸。
2.如權利要求1所述的二氧化碳氣體傳感器，其特征在于:所述顆粒狀支撐體為氧化鋅顆粒。
3.如權利要求1或2所述的二氧化碳氣體傳感器，，其特征在于:所述襯底(I)采用二氧化硅或硅材料制作而成。
4.二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: A、制備醋酸鋅溶膠； B、將醋酸鋅溶膠沉積在叉指電極(2)上，所述叉指電極(2)固定在襯底(I)上； C、將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極(2)放置在高溫環境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒； D、將氧化石墨烯溶液沉積在經過步驟C處理后的叉指電極(2)表面，并進行干燥處理。
5.如權利要求4所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟A中，采用溶膠凝膠法制備醋酸鋅溶膠，具體如下:將適量的二水合乙酸鋅溶于定量的無水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作為穩定劑并攪拌一段時間得到前驅液，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸鋅溶膠。
6.如權利要求5所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟B中，將醋酸鋅溶膠通過氣噴成膜的工藝沉積在叉指電極(2)上。
7.如權利要求6所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟C中，將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極(2)放置在溫度為300°C的環境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋒顆粒。
8.如權利要求7所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟D中，將氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經過步驟C處理后的叉指電極(2)表面。
9.如權利要求8所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟D中，所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
【文檔編號】G01N27/04GK103645216SQ201310728757
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】謝光忠, 周泳, 黃俊龍, 解濤, 杜曉松, 太惠玲, 蔣亞東 申請人:電子科技大學