本發(fā)明涉及工程與材料科學(xué)及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鐵酸鋅丙酮?dú)饷魧拥耐繉又苽浞椒ā?/p>

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體材料由于其成本低且對氣體響應(yīng)的靈敏度高等特點(diǎn)，在氣敏研究領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。鐵酸鋅作為一種尖晶石相的復(fù)合半導(dǎo)體，其中Zn²⁺加入到Fe-O晶格中，使其具有較好的選擇性和靈敏度，成為檢測還原性氣體的良好材料。

近年來，很多研究者都報道了鐵酸鋅涂層對丙酮?dú)怏w表現(xiàn)出很好的響應(yīng)特性。丙酮作為一種微毒的易揮發(fā)氣體，近年來在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。研究表明，通過檢測人體呼出氣體中丙酮的含量可以判斷病人是否患有糖尿病，因為糖尿病患者呼出的氣體中丙酮含量超過1.8ppm。因此制備檢測極限低、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、成本低的鐵酸鋅氣敏涂層便成為丙酮傳感器研究的重要目標(biāo)。

在本發(fā)明作出之前，目前，制備鐵酸鋅氣敏涂層的方法主要包括溶膠-凝膠法、水熱法、化學(xué)沉積法以及固相法等。但是這些制備方法生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，而且生產(chǎn)效率低。因此尋找一種簡易、快速、適用于生產(chǎn)的制備方法便成為制備鐵酸鋅氣敏涂層的研究目標(biāo)。

CN104569080A是一種基于中空花球狀鐵酸鋅納米材料的丙酮傳感器，該專利通過水熱合成法制備得到中空花狀鐵酸鋅納米粉末，之后將粉末涂覆到Al₂O₃絕緣體表面形成氣敏層。該傳感器由Ni-Cr線圈進(jìn)行加熱，Al₂O₃絕緣層表面的環(huán)形電極用于輸出傳感信號。

CN106198630A是一種基于介孔ZnFe₂O₄敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器。該專利采用硬模板法制備得到了納米級介孔ZnFe₂O₄氣敏材料，傳感器結(jié)構(gòu)是帶有兩個環(huán)形電極的Al₂O₃絕緣陶瓷管，也是將氣敏材料涂覆至電極表面，電極由鎳鉻合金加熱圈進(jìn)行加熱。

CN104749225A是一種基于ZnO/ZnFe₂O₄復(fù)合材料的丙酮?dú)怏w傳感器。該專利用化學(xué)沉淀法制備得到了具有中空微球結(jié)構(gòu)的ZnO，再在其中滴入FeSO₄從而制備得到ZnO/ZnFe₂O₄復(fù)合材料，通過將粉末與去離子水混合得到粘度適中的漿料，并將漿料涂覆至傳感器表面。該傳感器結(jié)構(gòu)與CN106198630A相同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述缺陷，研制一種鐵酸鋅氣敏涂層的制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種鐵酸鋅丙酮?dú)饷魧拥耐繉又苽浞椒?，其特征在于，包含以下步驟：

(1)采用氧化鋁Al₂O₃作為絕緣基體，將基體進(jìn)行清洗并干燥，通過真空鍍膜的方法在基體正面制備叉指型電極，在基體反面制備加熱電極；

(2)稱取商業(yè)鐵酸鋅納米粉末，溶于去離子水或有機(jī)溶劑中，利用磁力攪拌器或其它高速攪拌裝置得到均勻懸浮液；

(3)將得到的均勻懸浮液，通過蠕動泵將懸浮液以直徑為0.3mm的非霧化噴嘴送入到焰流中心，懸浮液液流量可控，噴槍垂直于傳感器基體表面，噴涂距離在50-200mm之間，通過調(diào)節(jié)H₂的流量以及噴槍電弧電流來控制焰流狀態(tài)，得到氣敏涂層；

(4)對噴涂得到的氣敏涂層進(jìn)行了熱處理，熱處理溫度在300-600℃之間，熱處理時間在1-24小時，得到晶體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于運(yùn)用懸浮液等離子噴涂這種快速、簡單的方法制備得到鐵酸鋅氣敏涂層，通過改變噴涂過程中的參數(shù)，以及后續(xù)熱處理的溫度，得到制備的最優(yōu)的參數(shù)，獲得具有選擇性高、響應(yīng)速度快的鐵酸鋅丙酮?dú)怏w傳感器。此方法制備過程快速、簡單，結(jié)構(gòu)可控，有利于提高傳感器的性能。

相比于專利CN104569080A通過將水熱合成的粉末涂覆至傳感器表面，本專利采用的懸浮液等離子噴涂工藝，成型速度快，方法簡便，結(jié)合強(qiáng)度更好，生產(chǎn)效率更高，合成得到的鐵酸鋅氣敏層可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。相比于專利CN106198630A采用的硬模板法制備氣敏涂層，本專利提供的方法更為簡單，無須模版，對原料的要求也更低，速快更快，結(jié)構(gòu)更為可控，適合大批量制造。相較于CN104749225A采用的化學(xué)沉積法制備復(fù)合氣敏涂層，本專利的方法更為簡便，結(jié)合強(qiáng)度更高，生產(chǎn)周期更短，合成得到的鐵酸鋅氣敏涂層選擇性更高，更合適實(shí)際應(yīng)用及大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1——本發(fā)明丙酮?dú)怏w傳感器的制備示意圖。

圖中各標(biāo)號表示對應(yīng)的部件名稱如下：

氣敏層1、熔融顆粒2、蠕動泵3、懸浮液4、機(jī)械臂5、等離子噴槍6、傳感器基底7。

圖2——本發(fā)明實(shí)例1的鐵酸鋅氣敏涂層示意圖，其中，A為氣敏涂層截面示意圖圖，B為氣敏涂層表面示意圖圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的主要技術(shù)思路是：

要解決現(xiàn)有的鐵酸鋅氣敏涂層生產(chǎn)效率低、成本高、制備周期長的難題，提供一種鐵酸鋅氣敏涂層的快速、簡易、低成本制備方法，目的是通過懸浮液等離子噴涂的方式制備得到由鐵酸鋅納米顆粒組成氣敏涂層，在低溫下獲得具有高選擇性和快速響應(yīng)的丙酮?dú)怏w傳感元件。下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明所需要的化學(xué)原料均可從市場購得。

本發(fā)明采用的基體為純氧化鋁片，可以從市場購得。

具體制備過程如圖1所示：

等離子噴槍6通過螺栓固定在可以自由轉(zhuǎn)動的機(jī)械臂5上，懸浮液4通過蠕動泵3將液體輸送至固定在等離子噴槍6上方的管道內(nèi)，懸浮液4經(jīng)非霧化噴嘴注射至等離子火焰焰心，形成的熔融顆粒1沉積至傳感器基底7上。制備得到的鐵酸鋅氣敏層表面相貌及截面形貌如圖2的A為氣敏涂層截面示意圖和B為氣敏涂層表面示意圖所示。

當(dāng)?shù)入x子噴槍6工作時，懸浮液4經(jīng)等離子噴槍6高溫形成熔融顆粒2，在傳感器基底7表面上形成氣敏層1。在合成過程中，通過控制注入等離子噴槍6中的氫氣流量、電流的含量，控制等離子火焰的溫度，進(jìn)而控制納米粒子的大小及孔洞多少，從而影響氣敏涂層的氣敏性能，通過控制噴涂的次數(shù)控制氣敏涂層的厚度。

本發(fā)明采用在固定的測試箱注入定量的丙酮液體，利用其易揮發(fā)性，從而在在Pt電極加熱的情況下實(shí)現(xiàn)在低溫下檢測丙酮?dú)怏w的目的，靈敏度定義為R_a/R_g，其中R_g和R_a為氣敏膜在不同濃度的丙酮?dú)夥障潞屯饨绛h(huán)境空氣氣氛下的電阻。

實(shí)施例1：

1.采用氧化鋁作為絕緣基體，將30×10×1mm氧化鋁薄片依次放置于去離子水和乙醇中，并輔助以超聲，清洗10分鐘，80℃烘干備用。

2.利用真空鍍膜的方法，采用金屬掩膜圖案，先制備一層鉻，厚度0.3μm，用來提高結(jié)合強(qiáng)度，然后在氧化鋁薄片的正面蒸鍍一層0.5μm金，得到叉指型電極。在氧化鋁薄片的反面，利用真空鍍膜的方法，先制備一層厚度為0.3μm的鉻，以提高結(jié)合強(qiáng)度，然后在氧化鋁薄片的正面蒸鍍一層0.5μm鉑，得到叉指加熱電極。

3.稱取粒徑為30納米的鐵酸鋅納米粉末和去離子水在8000轉(zhuǎn)/min下攪拌得到均勻的鐵酸鋅懸浮液。

4.在蠕動泵的作用下，將混合均勻的納米鐵酸鋅懸浮液以100mL/min的流速通過內(nèi)徑為0.3mm的噴嘴注射到等離子焰流的中心。在噴涂過程中電流：500A，噴涂距離：100mm，氬氣流量：50L/min，氫氣流量：4L/min，基體為室溫，噴涂得到厚度為10μm的氣敏涂層。對獲得的涂層進(jìn)行300℃保溫1小時處理。

5.將制備得到的鐵酸鋅涂層通過X射線衍射XRD和場發(fā)射掃描電鏡FE-SEM分析，結(jié)果表明涂層為尖晶石相鐵酸鋅，且涂層呈現(xiàn)出多孔納米球結(jié)構(gòu)。所制得的納米鐵酸鋅傳感器，在測試條件為200℃的條件下，對丙酮?dú)怏w表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體的氣敏特性，噴涂電流為400A的傳感器性能最好，通入100ppm和50ppm丙酮?dú)怏w時，其靈敏度分別為2..7和2.2。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3采用粒徑為50納米的鐵酸鋅納米粉末和去離子水在6000轉(zhuǎn)/min下攪拌得到均勻的鐵酸鋅懸浮液。步驟4中選定噴涂電流為400A，H₂流量為2L/min，噴涂距離為120mm的情況下，制備得到厚度為40μm的多孔鐵酸鋅涂層，進(jìn)行400℃保溫處理2小時。經(jīng)過傳感性能測試，涂層對100ppm的丙酮靈敏度為3.1。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3采用粒徑為20納米的鐵酸鋅納米粉末和無水乙醇在10000轉(zhuǎn)/min下攪拌得到均勻的鐵酸鋅懸浮液。步驟4中選定噴涂電流為450A，噴涂距離為：150mm，氫氣流量為：5L/min，基體溫度為室溫，在氧化鋁基體上得到厚度為60μm的多孔鐵酸鋅涂層，對涂層進(jìn)行400℃保溫處理0.5小時保溫處理。經(jīng)過傳感性能測試，其對100ppm的丙酮靈敏度為4.1。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3采用粒徑為25納米的鐵酸鋅納米粉末和無水乙二醇在9000轉(zhuǎn)/min下攪拌得到均勻的鐵酸鋅懸浮液。步驟4中選定噴涂電流為400A，氫氣流量為：4L/min，噴涂距離為150mm，在氧化鋁基體上得到厚度為35μm的多孔鐵酸鋅涂層，對傳感器進(jìn)行500℃保溫半小時處理。經(jīng)過傳感性能測試，其對100ppm的丙酮靈敏度為2.9。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3采用粒徑為80納米的鐵酸鋅粉末和無水乙二醇、乙醇在12000轉(zhuǎn)/min下攪拌得到均勻的鐵酸鋅懸浮液。步驟4中選定噴涂電流為600A，氫氣流量為：6L/min，噴涂距離為100mm，在氧化鋁基體上得到厚度為30μm的多空鐵酸鋅涂層，對傳感器進(jìn)行600℃保溫0.5小時處理。經(jīng)過傳感器測試對100ppm丙酮靈敏度為2.0。