一種氣敏傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣敏傳感器，包括由下至上安裝的基板、底電極、絕緣層、上電極引線層、敏感薄膜層和上電極組成，所述的敏感薄膜層為稀土金屬酞菁LB膜敏化大帶寬金屬氧化物納米孔道陣列結(jié)構(gòu)，如TiO2納米管陣列。本發(fā)明還提供了所述氣敏傳感器的制備方法。本發(fā)明提供的氣敏傳感器結(jié)構(gòu)新穎、易于集成。本身體積可控，為傳感器的小型化、輕型化、集成化提供了便利。因其在室溫下工作，在化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)等都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種氣敏傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及可在室溫條件下對氮氧化物靈敏響應(yīng)的有機(jī)無機(jī)復(fù)合氣體傳感器結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它可以感受外界氣氛的變化并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫男盘?，并根?jù)信號強(qiáng)弱獲得待測氣體在環(huán)境中存在情況的有關(guān)信息，從而實現(xiàn)對特定種類氣體的檢測、監(jiān)控、報警。在生物、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)預(yù)警等方面都有非常廣泛的應(yīng)用。其主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。
[0003]傳統(tǒng)的半導(dǎo)體氣敏傳感器是以金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料為核心而制成的敏感元件。其通過與氣體相互作用時，發(fā)生物理吸附、擴(kuò)散、化學(xué)吸附(微氧化還原反應(yīng))、解吸附，逆擴(kuò)散從而引起載流子數(shù)量的增加或減少，宏觀表現(xiàn)為外部電信號(電流或電阻)的相應(yīng)變化。因其有靈敏度較高、成本低廉、制造簡單、響應(yīng)速度快、壽命長、一致性好、對濕度敏感低、電路簡單、小型化、易集成等特點。所以得到了廣大研究者的關(guān)注。但此類氣敏傳感器的不足之處是必須工作于高溫下、對氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想。依據(jù)分子的熱運(yùn)動理論及氧離子勢壘模型，為了提高氣敏傳感器的靈敏度，縮短響應(yīng)時間，很多氣敏傳感器都是在200至500°C的高溫下工作的(如美國賓夕法尼亞大學(xué)的Grimes課題組制備的鈦基氫敏傳感器在290°C工作,德國的Bilge Saruhan課題組制備的N02氣敏傳感器的工作溫度在300至500°C )。工作溫度高帶來儀器能耗及使用安全問題，限制了此類傳感器的應(yīng)用。許多研究者提出摻雜以降低傳感器的工作溫度。摻雜元素一般為貴金屬(如Pt、Pb)，但摻雜的工藝如制備合金、電鍍、磁控濺射等都相對復(fù)雜且成本較聞。
[0004]有機(jī)半導(dǎo)體氣敏材料主要包括卟啉、葉吩、酞菁及其衍生物、絡(luò)合物等。大環(huán)結(jié)構(gòu)中的16個電子與中心金屬的兩個d電子構(gòu)成18電子的共軛結(jié)構(gòu)使得這類半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性。當(dāng)大環(huán)與氣體分子發(fā)生化學(xué)吸附時，由于氣體分子與酞菁等之間發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致宏觀檢測電流的增大或減小。近年來，由于有機(jī)半導(dǎo)體易于修飾、對特定分子的靈敏度高、制膜工藝簡單、在常溫工作、可與其他技術(shù)兼容，而備受研究者的關(guān)注。
[0005]無機(jī)半導(dǎo)體氣敏材料主要是指氧化錫、氧化鋅、氧化鈦等金屬氧化物材料。隨著納米技術(shù)不斷進(jìn)步，具有多孔納米結(jié)構(gòu)的無機(jī)半導(dǎo)體逐漸進(jìn)入人們眼簾。氧化鈦由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全無毒且具備優(yōu)異的光電性能而備受關(guān)注。氧化鈦納米管因其有很高的比表面積，易于吸附氣體分子，而被傳感器領(lǐng)域的專家廣泛研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及其制備方法，該氣敏傳感器采用了酞菁有機(jī)半導(dǎo)體LB薄膜敏化無機(jī)納米孔道結(jié)構(gòu)，簡化了氣敏傳感器的制備工藝，增加了靈敏度，降低了傳感器的工作溫度。
[0007]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0008]一種氣敏傳感器，包括由下至上安裝的基板、底電極、絕緣層、上電極引線層、敏感薄膜層和上電極組成，所述的敏感薄膜層為稀土金屬酞菁LB膜敏化大帶寬金屬氧化物納米孔道陣列結(jié)構(gòu)，如TiO2納米管陣列。
[0009]稀土金屬酞菁是由兩個酞菁環(huán)與一個稀土金屬離子形成的夾心配合物分子，中心離子包括鑭、鋪、銪和鋪等。稀土金屬酞菁采用Langmuire-Blodgget拉膜方法在器件上形成的薄膜稱為稀土金屬酞菁LB膜。稀土金屬酞菁結(jié)構(gòu)式如下:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種氣敏傳感器，包括由下至上安裝的基板、底電極、絕緣層、上電極引線層、敏感薄膜層和上電極組成，其特征在于:所述的敏感薄膜層為稀土金屬酞菁LB膜敏化大帶寬金屬氧化物納米孔道陣列結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣敏傳感器，其特征在于所述稀土金屬酞菁是以下材料中的一種:酞菁鑭，酞菁鈰，酞菁銪，酞菁鋱，所述大帶寬金屬氧化物納米孔道陣列為氧化鈦納米管陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣敏傳感器，其特征在于所述基板是硅基板或者玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣敏傳感器，其特征在于所述絕緣層材料為氮化硅、氮化鋁、氧化硅、氧化鋁、氮化鈦、氧化鈦、氮氧化鋁、氮氧化硅、氮氧化鈦其中一種或者幾種,膜厚度在IOnm 至 50nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣敏傳感器，其特征在于所述底電極為具有良好導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的的化合物薄膜，膜厚200至500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣敏傳感器，其特征在于所述上電極為金屬薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述氣敏傳感器，其特征在于所述金屬薄膜的金屬為Al、Au、Cu,金屬薄膜膜厚200至500nm。
8.權(quán)利要求1至7任一權(quán)利要求所述氣敏傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、基板清洗:對基板按順序分別利用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗，每種溶劑超聲時間20min。對超聲好的基板用氮氣吹干，之后在200°C對基板熱處理IOmin以出去表面的殘留有機(jī)物。 步驟二、層級結(jié)構(gòu)的構(gòu)建:在基板上制備全覆蓋底電極導(dǎo)電薄膜，之后在底電極右端制備絕緣層，并對其進(jìn)行熱處理加工。在絕緣層上制備上電極弓I線層。 步驟三、敏感膜層的制備:在底電極左端制備大面積敏感膜前驅(qū)體層，在一定電壓下通過電化學(xué)陽極氧化法在前驅(qū)體層上生長納米孔陣列結(jié)構(gòu)，并保證此陣列結(jié)構(gòu)底部無氧化物阻擋層。之后制備稀土酞菁LB膜，并通過垂直提拉法敏化氧化物納米管膜層，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。 步驟四、多孔上電極的制備:為保納米孔道不被堵塞且上電極引線的有效性，通過掩膜版在納米孔陣列頂部制備一定面積的網(wǎng)狀形上電極并將其與步驟2中的上電極引線層連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述氣敏傳感器的制備方法，其特征在于:所述底電極導(dǎo)電膜層、絕緣膜層及敏感膜層前驅(qū)體均通過直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子鍍以及化學(xué)氣相沉積中一種或幾種方法完成。
【文檔編號】G01N27/00GK103698365SQ201310753768
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】官德斌, 楊云濤, 鄧建國 申請人:中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心