專利名稱：一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣敏傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件 及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展、工業(yè)和社會的進步，環(huán)境遭到破壞，空氣污染日趨嚴重，一些有毒有害、易燃易爆氣體，如甲醛、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等都已無處不在，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。因此，迫切需要多種體積小、便捷靈活、便宜、靈敏度高的氣體監(jiān)測和測試裝置實現(xiàn)對不同環(huán)境和條件下的氣體實行監(jiān)測和控制。金屬氧化物半導體氣體傳感器由于具有檢測氣體種類多，濃度范圍寬，體積小，成本低、測量精度高，工作電路簡單，可便于現(xiàn)場檢測的優(yōu)點，在易燃、易暴、有毒或有害氣體檢測，在環(huán)境監(jiān)測、安全生產(chǎn)、食品衛(wèi)生、軍事科技等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，它們在人們的工作和生活中扮演著越來越重要的角色。此外，隨著科學研究和生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，開始研究并應(yīng)用的具有氣敏效應(yīng)的功能材料越來越多，金屬氧化物氣敏傳感器納米結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究執(zhí)占。美國喬治亞理工學院Zhong L. Wang教授課題組和美國德克薩斯州立大學的LiShi課題組分別制得單根納米線氣敏傳感器，并獲得較好的氣敏效果。但他們只是組裝出了SnO2> BixTel-x等簡單組分氣敏傳感器,并且單根納米線氣敏傳感器本身存在可靠性問題，所以他們研制的氣敏傳感材料難以實用化。近年來，采用靜電/磁場組裝定向納米絲材料獲得較快發(fā)展，現(xiàn)已成為新型功能納米材料的研究熱點。但目前研究也只是組裝出了簡單組分一維納米材料，對于多元金屬氧化物復(fù)合定向納米材料研究很少涉及。韓國Man Choi教授課題組先采用溶膠一凝膠方法制備出SnO2 - ZnO復(fù)合金屬納米氧化物，然后采用浸潰鍍膜摻雜方法制備出CuO摻雜SnO2 - ZnO復(fù)合氧化物薄膜，并系統(tǒng)研究了各氧化物組分對復(fù)合納米材料氣敏性能影響，這也在一定程度上揭示了每種金屬氧化物在其選擇性和敏感性方面存在局限性。另外，國內(nèi)在氣敏傳感器研制及其機理研究方面也取得了一些研究成果，然而，同樣存在構(gòu)成氣體敏感膜層材料成份相對簡單的根本問題，檢測氣體種類受限，傳感器靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性無法兼顧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前金屬氧化物氣敏傳感器研究的空缺和不足，提出一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件及其制備方法。本發(fā)明的目的在于在避免以前氣敏傳感器材料制備過程復(fù)雜的基礎(chǔ)上，通過簡單的制備多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件，克服金屬氧化物氣敏傳感器在選擇性、敏感性和穩(wěn)定性等方面的局限性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，采用電紡絲靜電場組裝方法在梳齒電極上沉積納米絲狀殼核結(jié)構(gòu)材料，采用低溫水熱負載方式在梳齒電極上的殼核結(jié)構(gòu)外層包覆氣敏薄膜源材料，對梳齒電極及其上材料進行熱處理合成氣敏材料終值獲得一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件。電紡絲靜電場組裝方法在梳齒電極上沉積納米絲狀殼核結(jié)構(gòu)材料的過程采用雙針頭同軸電紡絲法，梳齒電極收集的材料為近單層排列的納米絲狀陣列，且電紡絲靜電組裝過程中梳齒電極端采用加熱輔助合成材料。靜電場組裝方法中采用重油作為核心層原料，含有多元金屬離子的有機聚合物作為電紡絲外殼層原料。
低溫水熱負載方式在梳齒電極上的殼核結(jié)構(gòu)外層包覆氣敏薄膜源材料過程中水熱負載以金屬鹽溶液或穩(wěn)定溶膠作為原料，原料中加入沉淀劑。熱處理過程中控制升溫速率為1_5°C /分鐘，后保溫溫度為500-600°C。利用該發(fā)明制備得到的氣敏傳感器元件上的氣敏材料為多元金屬氧化物納米絲/納米管結(jié)構(gòu)材料，這些納米材料的直徑為50-200納米。通過該方法制備得到的梳齒電極及材料組成的元件可直接用于裝配成氣敏傳感器。本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于氣敏元件上的材料為納米絲/納米管材料，且這些納米材料近似呈定向單層排列。這樣的結(jié)構(gòu)特征使氣敏傳感器給被檢測氣體充分接觸，有效提高氣敏傳感器的靈敏性，并且穩(wěn)定性較好。其次，由于不同金屬氧化物對特定氣體的檢查靈敏性不同，多元金屬氧化物材料相結(jié)合的方法能有效提高氣敏傳感器的選擇性和靈敏性。另外，該方法制備氣敏傳感器元件工藝簡單、易于操作、經(jīng)濟環(huán)保。


圖I是一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的結(jié)構(gòu)圖其中I為梳齒電極，2為梳齒電極上沉積并合成的納米管/線氣敏材料。圖2是多兀金屬氧化物氣敏傳感器氣敏兀件表面氣敏材料的掃描電子顯微鏡圖像。
具體實施例方式下面以氧化錫、氧化鋅、氧化銅三元氧化物氣敏傳感器納米材料的制備為例更全面描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以不同形式實現(xiàn)，且不應(yīng)解釋為僅限于此處所闡述的實施例。更確切地說，提供這些實施例是為了徹底而完全地公開并且向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_本發(fā)明的范圍。氧化錫、氧化鋅、氧化銅三元氧化物氣敏傳感器納米材料的制備
(I)采用電紡絲靜電場組裝方法在梳齒電極上沉積納米絲狀殼核結(jié)構(gòu)材料過程 電紡絲核心層原料重油；
電紡絲外殼層原料0. 7gPAN、6. 3gDMF、0. 25g氯化錫、0. 25g氯化鋅配置而成的溶膠。將核心層原料和外殼層原料注入注射器中，裝在微量注射泵上，在注射器出口和梳齒電極I間加上13kV的直流電壓。另外梳齒電極間加IkV的直流電壓，采用加熱裝置控制梳齒電極的溫度為180°C。注射塑料為0. 5 ml/h。(2)低溫水熱負載方式在梳齒電極上的殼核結(jié)構(gòu)外層包覆氣敏薄膜源材料過程 原料1. 5M的CuSO4溶液中滴加幾滴氨水，充分攪拌混合形成穩(wěn)定溶膠
將(I)過程中得到的材料連同梳齒電極一起放入水熱反應(yīng)釜中，加入原料溶液，放入痰氣保護加熱爐中。采用5°C/min的升溫速度升溫至150攝氏度，保溫2小時。(3)對梳齒電極及其上材料進行熱處理合成氣敏材料過程
將(2)過程中處理過得材料連同梳齒電極一起放入高溫加熱爐中，在空氣中緩慢升溫至500°C，升溫速率為1°C /min。最后待材料溫度自然降低至室溫，將薄膜狀的材料和梳齒電極取出，再經(jīng)過壓焊，加壓老化等過程制成氧化錫、氧化鋅、氧化銅三元氧化物氣敏傳感器。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于所述的制備方法包括以下步驟 采用電紡絲靜電場組裝方法在梳齒電極上沉積納米絲狀殼核結(jié)構(gòu)材料； 采用低溫水熱負載方式在梳齒電極上的殼核結(jié)構(gòu)外層包覆氣敏薄膜源材料； 對步驟(2)的梳齒電極進行熱處理合成氣敏材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于步驟(I)中采用雙針頭同軸電紡絲法；梳齒電極收集的材料為近單層排列的納米絲狀陣列；電紡絲靜電組裝過程中梳齒電極端采用加熱輔助合成材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于步驟(I)中納米絲狀殼核結(jié)構(gòu)材料采用重油作為核心層原料，采用PAN、DMF、氯化錫和氯化鋅混合液作為電紡絲外殼層原料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于步驟(2)中水熱負載以氯化銅或硫酸銅為溶質(zhì)的水溶液或穩(wěn)定溶膠作為原料，原料中加入氨水作為沉淀劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于步驟(3)熱處理升溫速率為1_5°C /分鐘，保溫溫度為500-600°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于所述的氣敏傳感器氣敏元件以多元金屬氧化物納米絲/納米管結(jié)構(gòu)材料為氣敏材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于所述的多元金屬氧化物納米絲/納米管結(jié)構(gòu)材料直徑為50-200納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件的制備方法，其特征在于通過該方法制備得到的梳齒電極及材料組成的元件直接裝配成氣敏傳感器。
9.一種如權(quán)利要求I所述的制備方法制得的多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多元金屬氧化物氣敏傳感器氣敏元件及其制備方法。本發(fā)明主要是采用電紡絲靜電場組裝方法在梳齒電極上沉積納米絲狀殼核結(jié)構(gòu)材料，采用低溫水熱負載方式在梳齒電極上的殼核結(jié)構(gòu)外層包覆氣敏薄膜源材料，再進行熱處理合成氣敏材料。本發(fā)明制得的元件上有定向排列近單層金屬氧化物復(fù)合納米絲/納米管氣敏材料，可直接裝配成氣敏傳感器，使用方便且具有良好的氣敏靈敏度和選擇性。制備方法簡單，具備顯著的經(jīng)濟和社會效益。
文檔編號G01N27/30GK102621198SQ201210057850
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者葉蕓, 張永愛, 徐勝, 李松, 李福山, 楊尊先, 王靈婕, 郭太良 申請人:福州大學