基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器。該乙醇傳感器包括形成叉指電極的兩組電極，以及設置在叉指電極至少一側表面的氧化鋅納米膜；所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成；所述叉指電極的兩組電極不導通，形成所述乙醇傳感器的信號輸出端。本實用新型乙醇傳感器可以感受因乙醇吸收在氧化鋅表面所造成的電阻下降，乙醇傳感器的響應度與環(huán)境里增加的乙醇氣體濃度呈近似線性變化。
【專利說明】基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及傳感器領域，尤其是涉及一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器。
【背景技術】
[0002]2006年，美國佐治亞理工學院教授王中林等成功地在納米尺度范圍內將機械能轉換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機-納米發(fā)電機。納米發(fā)電機的基本原理是:當納米線(NWs，例如氧化鋅納米線)在外力下動態(tài)拉伸時，納米線中生成壓電電勢，相應瞬變電流在兩端流動以平衡費米能級。
[0003]氧化鋅納米線作為半導體材料，可以應用于乙醇傳感器。然后現(xiàn)有乙醇傳感器由于氧化鋅納米線的制備方法，具有靈敏度低、響應時間長、制備工藝復雜等缺陷。
[0004]常規(guī)生長氧化鋅納米線的方法為化學生長方法，例如水熱法，使氧化鋅納米線在帶有種子層的金屬層基底表面生長。以往，在氧化鋅納米線生長過程中，培養(yǎng)液中產(chǎn)生的氣泡上升到溶液表面且時常被面朝下的基底表面捕獲，抑制了氧化鋅納米線在金屬層基底表面上均勻生長。
實用新型內容
[0005]常規(guī)生長納米線的方法，例如水熱法，氧化鋅納米線在金屬層基底表面生長取向度較差，比表面積不高。本實用新型解決的技術問題是提供一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，增加了氧化鋅納米結構的比表面積，具有靈敏度高，響應時間短的特點。
[0006]本實用新型乙醇傳感器可以感受因乙醇吸收在氧化鋅表面所造成的電阻下降，乙醇傳感器的響應度與環(huán)境里增加的乙醇氣體濃度呈近似線性變化。
[0007]本實用新型采用靜電紡絲法-煅燒在叉指電極上生成氧化鋅納米膜，該氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成?；蛘?，優(yōu)選的進一步以每根氧化鋅納米線為軸生長氧化鋅納米柱以形成氧化鋅納米柱陣列，該氧化鋅納米柱是在(002)面優(yōu)勢取向的六角柱。由于合成的氧化鋅納米柱(六角柱)的寬高比較高，可以增加氧化鋅納米柱陣列單位體積里的比表面積。
[0008]由于氧化鋅納米膜跨越在叉指電極之上，而叉指電極的兩對電極之間不導通，因此當氧化鋅納米線表面吸附乙醇時，則氧化鋅表面多數(shù)載流子(電子)濃度增加，電阻減小。產(chǎn)生的電阻變化可以通過外部電路測量。本實用新型乙醇傳感器,靈敏度高、響應時間快，制備工藝簡單。
[0009]為了解決上述技術問題，本實用新型采用的第一技術方案是:一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，包括形成叉指電極的兩組電極，以及設置在叉指電極至少一側表面的氧化鋅納米膜；
[0010]所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成；
[0011]所述叉指電極的兩組電極不導通，形成所述乙醇傳感器的信號輸出端。[0012]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜是由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構成的氧化鋅納米膜。
[0013]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米線是其中摻雜有二氧化錫的氧化鋅納米線膜。
[0014]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜是由煅燒靜電紡絲獲得的聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜制成的氧化鋅納米膜。
[0015]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜是由煅燒靜電紡絲獲得的聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜制成的氧化鋅納米膜。
[0016]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述鋅鹽是醋酸鋅、硝酸鋅、草酸鋅或它們的水合物；所述聚乙烯類聚合物是聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP ;所述錫鹽是氯化錫、醋酸錫、硝酸錫或草酸錫。
[0017]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米線的直徑為200_300nmo
[0018]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜的厚度為500nm_lμ m。
[0019]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，以每根構成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線為軸進一步生長有氧化鋅納米柱，構成氧化鋅納米柱陣列，形成帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜，所述氧化鋅納米柱是(002)面優(yōu)勢取向的六角柱。
[0020]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述六角柱橫截面最大長度為200-300nm,六角柱高度為2-3 μ m。
[0021]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器,所述帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜的厚度為5-8 μ m。
[0022]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，每立方微米氧化鋅納米膜平均由2-3根氧化鋅納米線構成，氧化鋅納米柱彼此交纏。
[0023]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述叉指電極是由在基板上沉積或涂布金、銦錫金屬氧化物、銀、銅或鋁形成的叉指電極。
[0024]前述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，所述基板是硅、玻璃或有機玻璃。
[0025]本實用新型基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，由于氧化鋅納米膜跨越在叉指電極之上，而叉指電極的兩組電極之間不導通，因此當氧化鋅納米線表面吸附乙醇時，則氧化鋅表面多數(shù)載流子(電子)濃度增加，電阻減小。本實用新型乙醇傳感器靈敏度高、響應時間快，制備工藝簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是叉指電極示意圖。
[0027]圖2是靜電紡絲經(jīng)煅燒后由氧化鋅納米線構成的氧化鋅納米膜XRD譜圖，其中氧化鋅沉積在鍍金的硅芯片上。
[0028]圖3是本實用新型第二【具體實施方式】所用叉指電極的載體示意圖。
[0029]圖4是本實用新型第二【具體實施方式】所用叉指電極的載體剖面示意圖。
[0030]圖5是在本實用新型第二【具體實施方式】所用叉指電極的載體上進行靜電紡絲的過程。
[0031]圖6是在本實用新型第二【具體實施方式】所用叉指電極的載體上完成靜電紡絲后的狀態(tài)。
[0032]圖7是從本實用新型第二【具體實施方式】所用叉指電極的載體上取下叉指電極的過程。
[0033]圖8是實施例4乙醇傳感器的響應度與環(huán)境里增加的乙醇氣體濃度近似線性變化關系圖。
【具體實施方式】
[0034]為充分了解本實用新型之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本實用新型做詳細說明。
[0035]下面詳細說明一下本實用新型的第一【具體實施方式】。
[0036]一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，包括形成叉指電極的兩組電極，以及設置在叉指電極至少一側表面的氧化鋅納米膜；氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成。
[0037]圖1所示是叉指電極的結構示意圖。兩組電極形成叉指形狀且這兩組電極之間不導通，形成所述乙醇傳感器的信號輸出端。本實用新型叉指電極采用常規(guī)方法制成。具體的，在基板上沉積或涂布電極材料形成叉指電極形狀的兩組電極。本實用新型叉指電極厚度約為 50nm-100nm。
[0038]本實用新型對叉指電極所用基板沒有特殊規(guī)定，常規(guī)的基板材料均可應用于本實用新型，例如硅、玻璃或有機玻璃。本實用新型對電極材料也沒有特殊規(guī)定，例如金、銦錫金屬氧化物(ITO)、銀、銅或鋁均可應用于本實用新型。本實用新型采用的涂布或沉積方法也是現(xiàn)有常規(guī)的，例如磁控濺射、電子束或熱蒸鍍、絲網(wǎng)印刷、或旋轉涂布。
[0039]氧化鋅納米膜由煅燒靜電紡絲聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜制成，直徑為200-300nm，厚度為500nm_l μ m。優(yōu)選的，氧化鋅納米線中摻雜有二氧化錫，氧化鋅納米膜由煅燒聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜制成。圖2所示是該實施方式由氧化鋅納米線構成的氧化鋅納米膜XRD譜圖。由圖2可以看出ZnO是六邊纖鋅礦晶相，最強的峰為002面。下面詳細說明一下氧化鋅納米膜的制備方法。該方法包括以下步驟:
[0040](I)配制氧化鋅納米膜用靜電紡絲液
[0041]將聚乙烯類聚合物加入到溶劑中，待聚乙烯類聚合物溶解后，向液體中加入鋅鹽，然后混合均勻得到靜電紡絲液。該靜電紡絲液的黏度與濃度乘積控制在5-12。其中，聚乙烯類聚合物與鋅鹽的重量比為1-5:0.5-3。例如，每IOml溶劑中加入l_5g聚乙烯類聚合物，然后向混合溶液中加入鋅鹽，每IOml的混合溶液加入0.5-3g鋅鹽。
[0042]所述鋅鹽可以是醋酸鋅、硝酸鋅、草酸鋅及它們的水合物。所述溶劑可以是甲基甲酰胺(DMF)，乙醇(ethanol)或四氫呋喃(THF)。所述聚乙烯類聚合物可以是聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
[0043]優(yōu)選的，在該步驟中，在靜電紡絲液中摻雜氧化物或金屬以增進氧化鋅在特定方面的性能，氧化物可以是Al2O3或SnO2，金屬可以是Ag、Au、Pt或Cu。例如添加錫鹽(氯化錫、醋酸錫、硝酸錫或草酸錫)，增加響應靈敏度，添加比例為靜電紡絲液重量的1_10%。[0044](2)靜電紡絲
[0045]將步驟(I)所得靜電紡絲液加入到靜電紡絲裝置中，然后將靜電紡絲液注射到形成叉指電極的兩組電極的至少一側表面上進行靜電紡絲，在叉指電極的至少一側表面上獲得聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜。
[0046]本實用新型所用靜電紡絲裝置為常規(guī)市售靜電紡絲裝置。具體的，將步驟(I)所得靜電紡絲液加入到靜電紡絲裝置的給液裝置例如注射針管中，針頭為金屬如不銹鋼，將針頭接高壓源，接收端接地。然后在電壓為10kV-20kV，接收距離為8cm-20cm條件下，用微量泵以推動速度0.lml/hr-lml/hr，將靜電紡絲液通過噴射裝置注射到叉指電極的至少一側表面上進行靜電紡絲，在叉指電極的至少一側表面上獲得聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜。當在靜電紡絲液中添加錫鹽時，在叉指電極的至少一側表面上獲得聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜。錫鹽可以是氯化錫、醋酸錫、硝酸錫或草酸錫。
[0047](3)煅燒
[0048]將步驟(2)所得聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜膜連同叉指電極一起進行煅燒，煅燒條件為:按照2-10°C-min的升溫速率升溫至500-600°C，恒溫煅燒1-6小時；然后冷卻到室溫，得到氧化鋅納米膜。當在靜電紡絲液中添加錫鹽時，所述氧化鋅納米線中摻雜有二氧化錫。
[0049]所得氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成，該氧化鋅納米線的直徑為200nm-300nm。所得氧化鋅納米膜的厚度是500nm_l μ m。
[0050]由于氧化鋅納米膜跨越在叉指電極之上，而叉指電極的兩對電極之間不導通，氧化鋅納米膜感應乙醇所輸出的電流從叉指電極的兩對電極向外輸出。
[0051]本實用新型為了得到由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構成的氧化鋅納米膜，采用了第二【具體實施方式】。下面詳細說明第二【具體實施方式】。
[0052]一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，包括形成叉指電極的兩組電極，以及設置在叉指電極至少一側表面的氧化鋅納米膜；氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構成。
[0053]該實施方式具有與上述第一實施方式不同的靜電紡絲步驟，還包括得到纖維紡絲有序排列的聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜(或聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜)。得到有序排列的聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜(或聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜)包括但不局限于下列方法，例如:在靜電紡絲之前，將叉指電極6放置在載體(如圖3和圖4所示)的容置腔中。該載體包括第一載體底材1，設置在第一載體底材一側表面的第二載體底材2和第三載體底材3，第二載體底材2和第三載體底材3平行并間隔設置。在第二載體底材2上設有第一金屬條4，第一金屬條4沿第二載體底材2的與第三載體底材平行的邊設置。在第三載體底材3上設有第二金屬條5，第二金屬條5沿第三載體底材3的與第二載體底材2平行的邊設置。第二載體底材2和第一金屬條4,與第三載體底材3和第二金屬條5之間形成容置腔。
[0054]圖5是該實施方式進行靜電紡絲的過程，經(jīng)由靜電紡絲設備7將靜電紡絲液噴射到叉指電極6上，形成氧化鋅納米線8。圖6是該實施方式完成靜電紡絲后的狀態(tài)。圖7是該實施方式從載體上取下叉指電極的過程。由圖5-圖7可以看出氧化鋅納米膜由氧化鋅納米線平行構成。該實施方式中，每立方微米氧化鋅納米膜平均由2-3根氧化鋅納米線構成，氧化鋅納米柱彼此交纏。例如，氧化鋅納米膜的總表面積是4.15 μ m2，每立方微米氧化鋅納米膜里平均有2.56根氧化鋅納米線。
[0055]在靜電紡絲時，射出頭接正電，而載體上的金屬條接地，因而在其之間產(chǎn)生一電場。而靜電紡絲的本身可以視為帶正電的纖維，在電場下受力沉積在接地的載體上。當紡絲移動到金屬條的附近時，由于兩者的電性相反，在庫倫力的作用下，紡絲在金屬條上的兩端受最大的庫倫力吸引力，因此拉扯紡絲的兩端并使其與金屬條的方向垂直。另一方面，不同于在金屬條上的部分，在金屬條間的紡絲會帶正電。由于紡絲間的靜電排斥而加強了紡絲間的有序排列。
[0056]該實施方式中第一金屬條和第二金屬條所用材質是鋁箔、銅箔、鋁片或銅片；第一載體底材、第二載體底材和第三載體底材所用材質是絕緣材質，例如玻璃。
[0057]將步驟(I)所得靜電紡絲液加入到靜電紡絲裝置中，然后將靜電紡絲液噴射到放置在載體的容置腔中的叉指電極上進行靜電紡絲，在叉指電極上獲得聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜。煅燒后所得氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構成。
[0058]為了進一步提高氧化鋅納米膜的比表面積，本實用新型的第三【具體實施方式】以每根構成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線為軸進一步生長有氧化鋅納米柱，構成氧化鋅納米柱陣列，形成帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜。氧化鋅納米柱是(002)面優(yōu)勢取向的六角柱，該六角柱橫截面最大長度為200-300nm，六角柱高度為2_3 μ m，帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜厚度為5-8 μ m。
[0059]下面詳細說明氧化鋅納米柱的生長方法。
[0060]以第一【具體實施方式】或第二【具體實施方式】步驟(3)所得氧化鋅納米膜為種子層，以每根構成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線為軸生長氧化鋅納米柱以形成氧化鋅納米陣列，得到帶有氧化鋅納米柱陣列的氧化鋅納米膜。本實用新型采用水熱合成法或微波加熱法，在含氫氧源的鋅鹽溶液中生長氧化鋅納米柱。
[0061]水熱合成法是一種水熱法合成氧化鋅納米棒陣列的方法。具體的所述含氫氧源的鋅鹽溶液包括醋酸鋅、硝酸鋅或草酸鋅的水溶液；所用氫氧源包括氫氧化鈉、氨水、碳酸銨、或六亞甲基四胺。將鋅鹽加入到裝有去離子水的容器(封口瓶或水熱釜)中，然后再注入部分去離子水，鋅鹽的濃度為5?50mM(毫摩爾每升)。優(yōu)選的，在所述鋅鹽溶液中摻雜錫鹽，所述錫鹽是包括氯化錫、醋酸錫、硝酸錫或草酸錫。錫鹽的濃度為5mM?10mM。
[0062]待鋅鹽溶解后再加入氫氧源(如滴入氨水)混合均勻，然后在80-100°C下(例如利用烘箱)，將步驟(3)所得氧化鋅納米膜置于含氫氧源的鋅鹽溶液中，使氧化鋅納米柱生長2-12小時。
[0063]本實用新型所得帶有氧化鋅納米柱陣列的氧化鋅納米膜，由于合成氧化鋅納米柱的寬高比較高，可以增加單位體積里的比表面積。
[0064]本實施方式中氧化鋅納米膜可以是具有一定的取向性，例如第二實施方式所得的氧化鋅納米膜，由紡絲纖維有序排列的聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜煅燒而成。這樣，使得生長在該氧化鋅納米膜上的氧化鋅納米柱更有有序性，得到的比表面積更大。也就是說，當以平行絲為種子層時，由于平行絲的密度很高，水熱合成法合成的氧化鋅納米柱彼此交纏使表面成為有序的氧化鋅地毯。
[0065]下面通過具體的實施例來闡述本實用新型的方法的實施，本領域技術人員應當理解的是，這不應被理解為對本實用新型權利要求范圍的限制。
[0066]實施例1
[0067]本實施例所得乙醇傳感器尺寸為2cmX 2cm,氧化鋅納米膜厚度為500nm,構成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線直徑為300nm。下面說明該乙醇傳感器的制備方法。
[0068](I)叉指電極的制備
[0069]以金箔為靶材，用磁控濺射在硅芯片上沉積叉指電極，電極厚度約為70納米。
[0070](2)配制氧化鋅納米膜用靜電紡絲液
[0071]將22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)緩慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再緩慢加入0.9g醋酸鋅和0.33g的SnCl2.2H20,然后混合均勻得到靜電紡絲液。
[0072](3)靜電紡絲
[0073]將步驟(2)所得靜電紡絲液加入到注射針管中，針頭(不銹鋼)接高壓源，接收端接地。然后在電壓為12kV，接收距離為16cm條件下，用微量泵以推動速度0.lml/hr，將靜電紡絲液注射到叉指電極上進行靜電紡絲，在叉指電極上獲得PVP-鋅鹽-Sn纖維膜。
[0074](4)煅燒
[0075]將步驟(3)所得纖維膜連同叉指電極一起在高溫爐中進行煅燒，煅燒條件為:按照10°C /min的升溫速率升溫至500°C，恒溫煅燒I小時；然后冷卻到室溫，得到乙醇傳感器。
[0076]封閉環(huán)境下，將乙醇傳感器放置在250°C的加熱板上，由微量針管將乙醇40ul滴在加熱板上蒸發(fā)成乙醇氣體。以外加電壓5V分別連接上述乙醇傳感器的叉指電極中的一組電極，并將10ΜΩ電阻串聯(lián)在電路中，用三用電表量測電阻兩端的電壓變化。
[0077]在外加電壓5V、操作溫度250°C的情況下，注入乙醇40ul (微升)，經(jīng)一分鐘后，電阻兩端的電壓由0.16升到0.48V。經(jīng)換算，電阻由3.025X 10_8歐姆降到0.83X 10_8歐姆。定義響應度為無乙醇時的電阻/有乙醇蒸氣時的電阻。實施例1中乙醇傳感器響應度為
3.66。
[0078]實施例2
[0079]本實施例所得乙醇傳感器尺寸為2cmX 2cm，氧化鋅納米膜厚度為600nm，構成氧化鋅納米膜為平行氧化鋅納米線，其直徑為300nm。下面說明乙醇傳感器制備方法。
[0080](I)叉指電極的制備
[0081]以金箔為靶材，用磁控濺射在硅芯片上沉積叉指電極，電極厚度約為70納米。
[0082](2)配制氧化鋅納米膜用靜電紡絲液
[0083]將22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)緩慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再緩慢加入0.9g醋酸鋅和0.33g的SnCl2.2H20,然后混合均勻得到靜電紡絲液。
[0084](3)靜電紡絲
[0085]將步驟(2)所得靜電紡絲液加入到注射針管中，針頭(不銹鋼)接高壓源，接收端接地。將叉指電極放置到如圖3和圖4所示的載體的容置腔中。
[0086]在電壓為12kV，接收距離為16cm條件下，用微量泵以推動速度0.lml/hr，將靜電紡絲液注射到叉指電極上進行靜電紡絲，在叉指電極上獲得PVP-鋅鹽-Sn纖維膜。[0087](4)煅燒
[0088]將步驟(3)所得纖維膜膜連同叉指電極一起在高溫爐中進行煅燒，煅燒條件為:按照10°C /min的升溫速率升溫至500°C，恒溫煅燒I小時；然后冷卻到室溫，得到乙醇傳感器。
[0089]封閉環(huán)境下，將乙醇傳感器放置在250°C的加熱板上，由微量針管將乙醇(40 μ L)滴在加熱板上蒸發(fā)成乙醇氣體。以外加電壓5V分別連接上述乙醇傳感器的叉指電極中的一組電極，并將10ΜΩ電阻串聯(lián)在電路中，用三用電表量測電阻兩端的電壓變化。
[0090]在外加電壓5V、操作溫度250°C的情況下，注入乙醇40ul，經(jīng)一分鐘后，電阻兩端的電壓由0.16升到0.72V。經(jīng)換算，電阻由3.025Χ10-8歐姆降到0.55Χ10-8歐姆。定義響應度為無乙醇時的電阻/有乙醇蒸氣時的電阻。實施例2中乙醇傳感器響應度為5.49。
[0091]實施例3
[0092]本實施例所得乙醇傳感器尺寸為2cmx2cm，氧化鋅納米膜厚度為I μ m，構成氧化鋅納米膜為平行氧化鋅納米線，其直徑為300nm，以氧化鋅納米線為軸進一步生長有氧化鋅納米柱，氧化鋅納米柱為六角柱，高2μπι，橫截面最大長度為200nm。下面說明乙醇傳感器制備方法。
[0093](I)叉指電極的制備
[0094]以金箔為靶材 ，用磁控濺射在硅芯片上沉積叉指電極，電極厚度約為70納米。
[0095](2)配制氧化鋅納米膜用靜電紡絲液
[0096]將22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)緩慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再緩慢加入0.9g醋酸鋅和0.33g的SnCl2.2H20,然后混合均勻得到靜電紡絲液。
[0097](3)靜電紡絲
[0098]將步驟(2)所得靜電紡絲液加入到注射針管中，針頭(不銹鋼)接高壓源，接收端接地。將叉指電極放置到如圖3和圖4所示的載體的容置腔中。
[0099]在電壓為12kV，接收距離為16cm條件下，用微量泵以推動速度0.lml/hr，將靜電紡絲液注射到叉指電極上進行靜電紡絲，在叉指電極上獲得PVP-鋅鹽-Sn纖維膜。
[0100](4)煅燒
[0101]將步驟(3)所得纖維膜連同叉指電極一起在高溫爐中進行煅燒，煅燒條件為:按照10°C /min的升溫速率升溫至500°C，恒溫煅燒I小時；然后冷卻到室溫。
[0102](5)生長氧化鋅納米柱陣列
[0103]將0.238g硝酸鋅與0.064g SnCl2.2Η20加入到裝有250ml去離子水的封口瓶中，然后再注入40ml去離子水，待硝酸鋅與氯化錫溶解后再滴入Iml氨水(重量百分比28% )混合均勻，然后在90°C下在烘箱中反應5小時，使氧化鋅納米柱生長，得到乙醇傳感器。
[0104]封閉環(huán)境下，將乙醇傳感器放置在250°C的加熱板上，由微量針管將乙醇GOljL)滴在加熱板上蒸發(fā)成乙醇氣體。以外加電壓5V分別連接上述乙醇傳感器的叉指電極中的一組電極，并將10ΜΩ電阻串聯(lián)在電路中，用三用電表量測電阻兩端的電壓變化。
[0105]在外加電壓5V、操作溫度250°C的情況下，注入乙醇40ul，經(jīng)一分鐘后，電阻兩端的電壓由0.16升到0.96V。經(jīng)換算，電阻由3.025Χ10-8歐姆降到0.4Χ10-8歐姆。定義響應度為無乙醇時的電阻/有乙醇蒸氣時的電阻。實施例3中乙醇傳感器響應度為7.32。[0106]實施例4
[0107]本實施例所得乙醇傳感器尺寸為2cmX 2cm,氧化鋅納米膜厚度為500nm,構成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線直徑為300nm。下面說明該乙醇傳感器的制備方法。
[0108](I)叉指電極的制備
[0109]以金箔為靶材，用磁控濺射在硅芯片上沉積叉指電極，電極厚度約為70納米。
[0110](2)配制氧化鋅納米膜用靜電紡絲液
[0111]將22.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1.3M)緩慢加入到IOml甲基甲酰胺(DMF)中，待聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再緩慢加入0.9g醋酸鋅，然后混合均勻得到靜電紡絲液。
[0112](3)靜電紡絲
[0113]將步驟(2)所得靜電紡絲液加入到注射針管中，針頭(不銹鋼)接高壓源，接收端接地。然后在電壓為12kV，接收距離為16cm條件下，用微量泵以推動速度0.lml/hr，將靜電紡絲液注射到叉指電極上進行靜電紡絲，在叉指電極上獲得PVP-鋅鹽纖維膜。
[0114](4)煅燒
[0115]將步驟(3)所得纖維膜連同叉指電極一起在高溫爐中進行煅燒，煅燒條件為:按照10°C /min的升溫速率升溫至500°C，恒溫煅燒I小時；然后冷卻到室溫，得到乙醇傳感器。
[0116]封閉環(huán)境下，將乙醇傳感器放置在250°C的加熱板上，由微量針管將乙醇定量滴在加熱板上蒸發(fā)成乙醇氣體。以外加電壓5V分別連接上述乙醇傳感器的叉指電極中的一組電極，并將10ΜΩ電阻串聯(lián)在電路中，用三用電表量測電阻兩端的電壓變化。
[0117]在外加電壓5V、操作溫度250°C的情況下，注入乙醇40ul，經(jīng)一分鐘后，電阻兩端的電壓由0.16升到0.194V。經(jīng)換算，電阻由3.025X 10_8歐姆降到2.477Χ10-8歐姆。定義響應度為無乙醇時的電阻/有乙醇蒸氣時的電阻。實施例4中乙醇傳感器響應度為1.22。
[0118]由圖8可以看出，本實施例中乙醇傳感器可以感受因乙醇吸收在氧化鋅表面所造成的電阻下降，乙醇傳感器的響應度與環(huán)境里增加的乙醇氣體濃度呈近似線性變化，當乙醇量從O變化到40ul，響應度從I變化成1.22，響應度靈敏。
[0119]本實用新型采用靜電紡絲法-煅燒在叉指電極上生成氧化鋅納米膜，該氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成，可以是無序的也可以是平行的。然后優(yōu)選的在氧化鋅納米膜表面上以每根氧化鋅納米線為軸生長氧化鋅納米柱以形成氧化鋅納米柱陣列，該氧化鋅納米柱是在(002)面優(yōu)勢取向的六角柱。本實用新型乙醇傳感器可以感受因乙醇吸收在氧化鋅表面所造成的電阻下降，乙醇傳感器的響應度與環(huán)境里增加的乙醇氣體濃度呈近似線性變化，該乙醇傳感器具有靈敏度高，響應時間短的特點。
【權利要求】
1.一種基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，包括形成叉指電極的兩組電極，以及設置在叉指電極至少一側表面的氧化鋅納米膜； 所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構成； 所述叉指電極的兩組電極不導通，形成所述乙醇傳感器的信號輸出端。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述氧化鋅納米膜是由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構成的氧化鋅納米膜。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述氧化鋅納米線的直徑為200-300nm。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述氧化鋅納米膜的厚度為500nm-l μ m。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，以每根構成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線為軸進一步生長有氧化鋅納米柱，構成氧化鋅納米柱陣列，形成帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜，所述氧化鋅納米柱是(002)面優(yōu)勢取向的六角柱。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述六角柱橫截面最大長度為200-300nm,六角柱高度為2_3 μ m。
7.根據(jù)權利要求5所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜的厚度為5-8 μ m。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，每立方微米氧化鋅納米膜平均由2-3根氧化鋅納米線構成,氧化鋅納米柱彼此交纏。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述叉指電極是由在基板上沉積或涂布金、銦錫金屬氧化物、銀、銅或鋁形成的叉指電極。
10.根據(jù)權利要求9所述的基于氧化鋅納米結構的乙醇傳感器，其特征在于，所述基板是硅、玻璃或有機玻璃。
【文檔編號】G01N27/12GK203772790SQ201320796946
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權日:2013年12月6日
【發(fā)明者】葉柏盈 申請人:納米新能源生命科技（唐山）有限責任公司