CN104833707B - 一种平面气敏传感元件及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种平面气敏传感元件及其制备方法。该平面气敏传感元件采用负载CVD石墨烯的气敏传感器件；石墨烯表面沉积一维氧化锌薄膜；一维氧化锌呈笔头状；一维氧化锌的直径为100‑200nm，长宽比大于3，笔尖宽度为10‑100nm。本发明制备得到的气敏传感元件对丙酮气体具有响应快速，灵敏度高，操作温度低，同时对丙酮气体具有较高选择性。

Description

一种平面气敏传感元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测丙酮浓度的气敏传感元件。
背景技术
丙酮是一种普遍使用的有机试剂，挥发性有毒液体，且易燃易爆，***下限仅为2.6%。据报道，可以通过检查病人口腔呼出的气体中检测丙酮的浓度，进行无损诊断I型糖尿病。因此，开发快速响应、高灵敏度的丙酮传感器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种对丙酮气体具有响应快速，灵敏度高，操作温度低，同时对丙酮气体具有较高选择性的平面气敏元件。
为了达到上述目的，本发明提供了一种平面气敏传感元件，该气敏传感元件采用负载CVD石墨烯的气敏传感器件；石墨烯表面沉积一维氧化锌薄膜；一维氧化锌呈笔头状；所述一维氧化锌的直径为100-200nm，长宽比大于3，所述笔尖宽度为10-100nm。
其中，气敏传感器件的叉指电极为金叉指电极或铂金叉指电极，电极中正方形接触垫的长和宽为1-2mm，两个接触垫的距离为2.5-3.5mm，且彼此对称，叉指阵列中叉指的间距为0.5-1.5um，叉指阵列部分的长度为1-2mm。气敏传感器件制备过程详见文献（Nanoscale, 2011,3,4283）。
本发明还提供了上述的气敏传感元件的制备方法，包括以下步骤：
（1）清洗负载CVD石墨烯的气敏传感器件；
（2）在步骤（1）清洗后的气敏传感器件上沉积金属锌薄膜；
（3）采用水热合成法，将步骤（2）中沉积得到的金属锌薄膜制备合成一维氧化锌薄膜，形成负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件；
（4）将步骤（3）得到的传感元件进行焙烧。
步骤（3）中水热合成法通过浓氨水调节反应体系酸碱性，运用羧甲基纤维素作为结构导向剂，控制反应温度为120-160℃，反应时间为6-72h；所述浓氨水用量为2-8ml，反应体系中去离子水的用量为10-15ml，羧甲基纤维素采用羧甲基纤维素水溶液，浓度为1.4-4.2g/L，用量为2-4ml。
步骤（2）中对金属锌薄膜的沉积采用以下步骤：将所述负载CVD石墨烯的气敏传感器件置于磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材，以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体，进行溅射沉积。
沉积金属锌薄膜的过程中，靶材与基台的距离为50-150mm，先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa，之后通入氩气，移除表面的污染物，调节氩气流量为8-28SCCM使腔室压强为0.5-2.5Pa，沉积功率为90-120W。
步骤（4）的焙烧过程为：将所述负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与400-500℃空气气氛热处理1-2h，控制升温速率小于1℃/min。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明利用氧化锌的一维纳米线、纳米带或纳米棒结构具有高的比表面积以及特定方向的尺寸与德拜长度相比拟，通过一维氧化锌与石墨烯的复合，制备所得复合气敏传感膜具有高表面吸附能力并且能达到载流子的完全耗尽，形成双耗尽层，进而表现出更高的灵敏度、更快的响应特性。本发明制备得到的气敏传感元件对丙酮选择性良好，可以抵抗其它气体的干扰。
附图说明
图1为本发明实施例1制备气敏传感元件表面一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的X射线衍射图；
图2为本发明实施例1制备气敏传感元件表面一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的扫描电子显微镜图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4为本发明实施例1制备气敏传感元件在100℃对不同丙酮浓度气氛的灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明基于一维氧化锌/石墨烯纳米复合材料的气敏传感器元件的制备方法步骤如下：
1、首先利用等离子清洗机对负载CVD石墨烯的气敏传感器件（气敏传感器件负载石墨烯的制备过程参照文献（New Journal of Chemistry, 38(2014),2362-2367）进行清洗，启动真空泵，抽完真空后，打开氧气的气路阀门，向清洗机中通入氧气，控制清洗机中压强达到60Pa-80Pa，启动清洗机，清洗时间2mins-5mins。
2、将清洗过的负载CVD石墨烯的气敏传感元件置于磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材，以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体，在经过清洗后的气敏传感元件上溅射沉积金属锌薄膜；
3、沉积金属锌薄膜的过程中，靶材与基台的距离为50-150mm，先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa。之后通入Ar，移除表面的污染物。
4、调节Ar流量使腔室压强为1.5Pa，通入气体后，对气敏传感元件进行加热，温度达到300℃，沉积功率为100W，预溅射10mins左右,再计时溅射20mins。
5、溅射完成后，待***温度冷却至室温，再向真空室充入氮气，达到正常气压时打开真空室取出负载金属锌/石墨烯气敏传感器件。
6、一维氧化锌/石墨烯纳米复合气敏传感膜的制备：
采用水热合成的方法，浓氨水为2ml，去离子水为14ml，2.8g/L羧甲基纤维素4ml，反应温度为130℃，反应时间为48h；制备出笔头状一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜，所得一维氧化锌的直径范围为100-200nm之间。
7、将负载复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与450℃空气气氛热处理2h，控制升温速率小于1℃min，制得基于一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的气敏传感元件。
实施例2
本发明基于一维氧化锌/石墨烯纳米复合材料的气敏传感器元件的制备方法步骤如下：
1、首先利用等离子清洗机对负载CVD石墨烯的气敏传感器件进行清洗，启动真空泵，抽完真空后，打开氧气的气路阀门，向清洗机中通入氧气，控制清洗机中压强达到60Pa-80Pa，启动清洗机，清洗时间2mins-5mins。
2、将清洗过的负载CVD石墨烯的气敏传感元件置于磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材，以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体，在备用的气敏传感元件上溅射沉积金属锌薄膜；
3、沉积金属锌薄膜的过程中，靶材与基台的距离为60mm，先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa。之后通入Ar，移除表面的污染物。
4、调节Ar流量使腔室压强为1.5Pa，通入气体后，对气敏传感元件进行加热，温度达到250℃，沉积功率为80W，预溅射10mins左右,再计时溅射30mins。
5、溅射完成后，待***温度冷却至室温，再向真空室充入氮气，达到正常气压时打开真空室取出负载金属锌/石墨烯气敏传感器件。
6、一维氧化锌/石墨烯纳米复合气敏传感膜的制备：
采用水热合成的方法，浓氨水为4ml，去离子水为12ml，2.8g/L羧甲基纤维素4ml，反应温度为120℃，反应时间为36h；制备出笔头状一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜，所得一维氧化锌的直径范围为100-200nm之间。
7、将负载复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与450℃空气气氛热处理2h，控制升温速率小于1℃/min，制得基于一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的气敏传感元件。
效果实施例1
将本发明实施例1进行X射线衍射分析，如图1所示，反应制备所得一维ZnO传感材料的结晶度良好，晶粒尺寸为15nm左右。
如图2、图3所示为实施例1制备得到的复合气敏传感膜的扫描电子显微镜图，从图中可以看出，复合气敏传感膜中一维氧化锌呈笔头状，笔头长度为10-100nm。该结构提升了传感材料的比表面积，并加快了载流子的传输速度，增强了传感材料的低温传感性能。
对实施例1制备得到的气敏传感元件进行气敏性能测试（气敏特性通常用灵敏度来表征。灵敏度的定义为元件在大气气氛中的电阻值Ra与元件在一定浓度的被测气体气氛中的电阻值Rg与之比：）：
采用动态气敏测试方法，将气体检测腔体的体积控制在200cm3，调控丙酮气氛的浓度在10-100ppm之间，检测温度控制在60-120℃之间，采用Keithley 6570A采集气敏传感数据。如图4所示，为气敏元件对丙酮浓度10-100ppm之间的待测气体的室温传感灵敏度，随着丙酮浓度的提高，气敏元件的传感灵敏度也随着提升。对10ppm，50ppm，以及100ppm丙酮的灵敏度分别为3.4，9.2 以及15.8。

Claims (6)

1.一种平面气敏传感元件，所述气敏传感元件采用负载CVD石墨烯的气敏传感器件；其特征在于，所述石墨烯表面沉积一维氧化锌薄膜；所述一维氧化锌呈笔头状；所述一维氧化锌的直径为100-200nm，长宽比大于3，所述笔尖宽度为10-100nm；所述气敏传感器件的叉指电极为金叉指电极或铂金叉指电极；
所述气敏传感元件通过以下方法制备：
（1）清洗负载CVD石墨烯的气敏传感器件；
（2）在步骤（1）清洗后的气敏传感器件上沉积金属锌薄膜；
（3）采用水热合成法，将步骤（2）中沉积得到的金属锌薄膜制备合成一维氧化锌薄膜，形成负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件；
（4）将步骤（3）得到的传感元件进行焙烧。
2.根据权利要求1所述的气敏传感元件，其特征在于，所述气敏传感器件的叉指电极中正方形接触垫的长和宽为1-2mm，两个接触垫的距离为2.5-3.5mm，且彼此对称，叉指阵列中叉指的间距为0.5-1.5um，叉指阵列部分的长度为1-2mm。
3.根据权利要求1所述的气敏传感元件，其特征在于，所述步骤（3）中水热合成法通过浓氨水调节反应体系pH值，运用羧甲基纤维素作为结构导向剂，控制反应温度为120-160℃，反应时间为6-72h；所述浓氨水用量为2-8ml；所述反应体系中去离子水的用量为10-15ml；所述羧甲基纤维素采用羧甲基纤维素水溶液，浓度为1.4-4.2g/L，用量为2-4ml。
4.根据权利要求1或3所述的气敏传感元件，其特征在于，所述步骤（2）中对金属锌薄膜的沉积采用以下步骤：将所述负载CVD石墨烯的气敏传感器件置于磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材，以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体，进行溅射沉积。
5.根据权利要求4所述的气敏传感元件，其特征在于，所述沉积金属锌薄膜的过程中，靶材与基台的距离为50-150mm，先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa，之后通入氩气，移除表面的污染物，调节氩气流量为8-28SCCM使腔室压强为0.5-2.5Pa，沉积功率为90-120W。
6.根据权利要求1或3所述的气敏传感元件，其特征在于，所述步骤（4）的焙烧过程为：将所述负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与400-500℃空气气氛热处理1-2h，控制升温速率小于1℃/min。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105181896B (zh) * 2015-09-01 2017-06-23 上海理工大学 一种用于检测丙酮气体的气敏材料及其元件和制备方法
CN105259218B (zh) * 2015-10-28 2018-06-05 上海交通大学 一种氧化锌纳米线-石墨烯气体传感器及其制备方法
CN106044845A (zh) * 2016-05-26 2016-10-26 中国科学院合肥物质科学研究院 氧化石墨烯修饰的有序多孔氧化锌复合薄膜及其制备方法
CN108572197A (zh) * 2018-04-17 2018-09-25 上海理工大学 一种丙酮检测所用的气敏材料及其制备方法和应用
CN108593720A (zh) * 2018-07-10 2018-09-28 杭州高烯科技有限公司 一种快速响应的气体分子探测器
CN109401418B (zh) * 2018-10-23 2021-10-29 厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司 一种环氧富锌涂料用改性石墨烯浆料及其制备方法
CN111044582A (zh) * 2019-12-04 2020-04-21 中国工程物理研究院化工材料研究所 一种氟碳膜/金属氧化物气敏膜复合叠层器件及其制备方法
CN111413373B (zh) * 2020-04-01 2023-03-31 西安石油大学 一种基于石墨烯基复合结构光纤传感器及其制备方法
CN113063342B (zh) * 2021-03-22 2022-06-07 华南理工大学 基于同种导电材料的柔性应变传感器及其制备方法
CN116429850B (zh) * 2023-06-14 2023-09-22 南京信息工程大学 基于稀土金属掺杂卟啉COFs/碳基量子点/In2O3复合薄膜的传感器及制法和应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101857222A (zh) * 2010-05-28 2010-10-13 常州大学 一种大面积、连续的石墨烯/氧化锌复合结构的制备方法
CN102288648A (zh) * 2011-07-07 2011-12-21 刘文超 氧化锌纳米结构气体感测器及其制造方法
CN102590309A (zh) * 2012-02-03 2012-07-18 游学秋 石墨烯晶体管及其生物传感器的制作与应用方法
CN102828156A (zh) * 2012-08-28 2012-12-19 河北工业大学 基于氧化锌薄膜的丙酮蒸汽气敏传感元件的制备方法
CN103060764A (zh) * 2013-03-08 2013-04-24 南京信息工程大学 在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法
CN103482683A (zh) * 2013-10-15 2014-01-01 哈尔滨理工大学 一种氧化锌纳米线束阵列/泡沫石墨烯复合材料的合成方法及其应用
KR20150020334A (ko) * 2013-08-12 2015-02-26 한국과학기술원 금속산화물 반도체 나노 구조체와 그래핀의 복합체를 이용한 가스 센서용 부재，가스 센서 및 그 제조 방법
CN104569052A (zh) * 2014-12-17 2015-04-29 东南大学 一种制备氧化石墨烯传感器的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101857222A (zh) * 2010-05-28 2010-10-13 常州大学 一种大面积、连续的石墨烯/氧化锌复合结构的制备方法
CN102288648A (zh) * 2011-07-07 2011-12-21 刘文超 氧化锌纳米结构气体感测器及其制造方法
CN102590309A (zh) * 2012-02-03 2012-07-18 游学秋 石墨烯晶体管及其生物传感器的制作与应用方法
CN102828156A (zh) * 2012-08-28 2012-12-19 河北工业大学 基于氧化锌薄膜的丙酮蒸汽气敏传感元件的制备方法
CN103060764A (zh) * 2013-03-08 2013-04-24 南京信息工程大学 在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法
KR20150020334A (ko) * 2013-08-12 2015-02-26 한국과학기술원 금속산화물 반도체 나노 구조체와 그래핀의 복합체를 이용한 가스 센서용 부재，가스 센서 및 그 제조 방법
CN103482683A (zh) * 2013-10-15 2014-01-01 哈尔滨理工大学 一种氧化锌纳米线束阵列/泡沫石墨烯复合材料的合成方法及其应用
CN104569052A (zh) * 2014-12-17 2015-04-29 东南大学 一种制备氧化石墨烯传感器的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
High sensitive formaldehyde graphene gas sensor modified by atomic layer deposition zinc oxide films;Haichuan Mu et al.;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20141231;第105卷;033107-1至033107-4 *
棒状氧化锌的"绿色"水热合成及其气敏性能;彭超才 等;《电子元件与材料》;20081231;第27卷(第12期);第27-29页 *
石墨烯/氧化锌复合材料的制备及其场发射性能研究;郭礼森;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20130815(第8期);B020-59 *

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