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二氧化碳氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣敏響應較快的二氧化碳氣體傳感器及其制備方法。該二氧化碳氣體傳感器，包括襯底，所述襯底的上表面設(shè)置有叉指電極，所述叉指電極表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續(xù)薄膜，所述非連續(xù)薄膜表面沉積有氧化石墨烯構(gòu)成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極接觸。利用顆粒狀支撐體將二氧化碳敏感薄膜撐起，使得二氧化碳氣體分子能夠在三維方向上和氧化石墨烯材料接觸，有效地提高了二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳氣體分子的響應，氣敏響應較快，而且有利于二氧化碳氣體的解吸附，同時改善了二氧化碳氣體傳感器的性能受限于敏感薄膜厚度的情況。適合在傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】推廣應用。
【專利說明】二氧化碳氣體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】，具體涉及一種二氧化碳氣體傳感器及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀末人類進入信息社會以來，人們的一切活動都是以信息獲取與信息交換為中心，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)與三大支柱之一的傳感器技術(shù)也進入高速發(fā)展的新時期。
[0003]由于叉指電極對涂覆在其上的薄膜電阻、電解質(zhì)變化響應極其靈敏，因此基于叉指電極的電阻型、電容型氣體傳感器如雨后春筍般涌現(xiàn)?，F(xiàn)有的二氧化碳氣體傳感器一般包括襯底和襯底表面設(shè)置的叉指電極，在叉指電極表面沉積一層氧化石墨烯膜，這種現(xiàn)有的電阻型氣體傳感器在使用過程中存在以下問題:由于氧化石墨烯膜是直接沉積在叉指電極的表面，這就是使得氧化石墨烯膜厚度較小，而且薄膜底層的敏感材料也不能和待測氣體或蒸汽分子充分接觸，造成氣體傳感器的氣敏響應較慢，待測氣體或蒸汽分子的解吸附不充分，響應、恢復時間很長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種氣敏響應較快的二氧化碳氣體傳感器。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該二氧化碳氣體傳感器，包括襯底，所述襯底的上表面設(shè)置有叉指電極，所述叉指電極表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續(xù)薄膜，所述非連續(xù)薄膜表面沉積有氧化石墨烯構(gòu)成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極接觸。
[0006]進一步的是，所述顆粒狀支撐體為氧化鋅顆粒。
[0007]進一步的是，所述襯底采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0008]本發(fā)明還提供了一種制備上述二氧化碳氣體傳感器的方法，具體方案如下:該二氧化碳氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0009]A、制備醋酸鋅溶膠；
[0010]B、將醋酸鋅溶膠沉積在叉指電極上，所述叉指電極固定在襯底上；
[0011]C、將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極放置在高溫環(huán)境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒；
[0012]D、將氧化石墨烯溶液沉積在經(jīng)過步驟C處理后的叉指電極表面，并進行干燥處理。
[0013]進一步的是，在步驟A中，采用溶膠凝膠法制備醋酸鋅溶膠，具體如下:將適量的二水合乙酸鋅溶于定量的無水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作為穩(wěn)定劑并攪拌一段時間得到前驅(qū)液，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸鋅溶膠。
[0014]進一步的是，在步驟B中，將醋酸鋅溶膠通過氣噴成膜的工藝沉積在叉指電極上。
[0015]進一步的是，在步驟C中，將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極放置在溫度為300°C的環(huán)境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒。[0016]進一步的是,在步驟D中，將氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經(jīng)過步驟C處理后的叉指電極表面。
[0017]進一步的是，在步驟D中，所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
[0018]本發(fā)明的有益效果:通過在叉指電極表面沉積由顆粒狀支撐體形成的非連續(xù)薄膜，所述非連續(xù)薄膜表面沉積有氧化石墨烯構(gòu)成的二氧化碳敏感薄膜，所述二氧化碳敏感薄膜通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極接觸，利用顆粒狀支撐體將二氧化碳敏感薄膜撐起，使得二氧化碳氣體分子能夠在三維方向上和氧化石墨烯材料接觸，使氧化石墨烯材料和二氧化碳氣體分子接觸更充分，有效地提高了二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳氣體分子的響應，氣敏響應較快，而且有利于二氧化碳氣體的解吸附，同時改善了二氧化碳氣體傳感器的性能受限于敏感薄膜厚度的情況，另外，該二氧化碳氣體傳感器是在室溫下進行測試的，不需要在特定的溫度下進行，便于進行相關(guān)的實驗操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)有的二氧化碳氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明所述的二氧化碳氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明所述的二氧化碳氣體傳感器和現(xiàn)有的二氧化碳氣體傳感器對不同濃度的C02氣體氣敏響應的柱狀對比圖；
[0022]圖中標記說明:襯底1、叉指電極2、二氧化碳敏感薄膜3、非連續(xù)薄膜4。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0024]如圖2所示，該二氧化碳氣體傳感器，包括襯底1，所述襯底I的上表面設(shè)置有叉指電極2，所述叉指電極2表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續(xù)薄膜4，所述非連續(xù)薄膜4表面沉積有氧化石墨烯構(gòu)成的二氧化碳敏感薄膜3，所述二氧化碳敏感薄膜3通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極2接觸。該二氧化碳氣體傳感器在使用時將其置于測試腔中，采用干燥空氣作為載氣和稀釋氣體，并用MT50-4J流量顯示儀或MF-3C動態(tài)配氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)二氧化碳氣體的濃度，用多路信號采集器采集相應的電阻信號，所述叉指電極2作為傳感器信號的輸出端與讀出裝置或者計算機連接，根據(jù)二氧化碳敏感薄膜3的特性通過電阻形式輸出傳感器信號，測試溫度為室溫。通過在叉指電極2表面沉積由顆粒狀支撐體形成的非連續(xù)薄膜4，所述非連續(xù)薄膜4表面沉積有氧化石墨烯構(gòu)成的二氧化碳敏感薄膜3，所述二氧化碳敏感薄膜3通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極2接觸，利用顆粒狀支撐體將二氧化碳敏感薄膜3撐起，使得二氧化碳氣體分子能夠在三維方向上和氧化石墨烯材料接觸，使氧化石墨烯材料和二氧化碳氣體分子接觸更充分，有效地提高了二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳氣體分子的響應，氣敏響應較快，而且有利于二氧化碳氣體的解吸附，同時改善了二氧化碳氣體傳感器的性能受限于二氧化碳敏感薄膜3厚度的情況，另外，該二氧化碳氣體傳感器是在室溫下進行測試的，不需要在特定的溫度下進行，便于進行相關(guān)的實驗操作。
[0025]所述顆粒狀支撐體可以采用現(xiàn)有的各種金屬化氧化物，為了使二氧化碳氣體傳感器的氣敏響應更加快速準確，所述顆粒狀支撐體優(yōu)選為氧化鋅顆粒，所述襯底I采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0026]本發(fā)明還提供了一種制備上述二氧化碳氣體傳感器的方法，具體方案如下:該二氧化碳氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0027]A、制備醋酸鋅溶膠；
[0028]B、將醋酸鋅溶膠沉積在叉指電極2上，所述叉指電極2固定在襯底I上；
[0029]C、將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極2放置在高溫環(huán)境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋒顆粒；
[0030]D、將氧化石墨烯溶液沉積在經(jīng)過步驟C處理后的叉指電極2表面，這樣小部分氧化石墨烯材料透過氧化鋅顆粒之間的間隙和叉指電極2相接觸以形成導電通路，大部分氧化石墨烯材料和叉指電極2不直接接觸，而是沉積在形成的氧化鋅顆粒表面上，最后進行干燥處理。根據(jù)上述步驟可以很方便的制備出本發(fā)明所述的基于叉指電極2的電阻型氣體傳感器，而且整個制作過程工藝簡單，便于操作。
[0031]在上述實施方式中，所述醋酸鋅溶膠可以采用現(xiàn)有的各種方法實現(xiàn)，作為優(yōu)選的是:在步驟A中，采用溶膠凝膠法制備醋酸鋅溶膠，具體如下:將適量的二水合乙酸鋅溶于定量的無水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作為穩(wěn)定劑并攪拌一段時間得到前驅(qū)液，攪拌采用磁力攪拌的方式進行，攪拌時間為兩個小時，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸鋅溶膠，加入冰醋酸和氨水可以調(diào)節(jié)醋酸鋅溶膠的PH值。
[0032]為了保證加工質(zhì)量，避免最后形成的氧化鋅顆粒脫落，在步驟B中，將醋酸鋅溶膠通過氣噴成膜的工藝沉積在叉指電極2上。
[0033]為了能夠形成直徑較大的氧化鋅顆粒，從而提高其支撐效果，在步驟C中，將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極2放置在溫度為300°C的環(huán)境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒。
[0034]為了保證加工質(zhì)量，避免最后形成的敏感薄膜3脫落，在步驟D中，將氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經(jīng)過步驟C處理后的叉指電極2表面。
[0035]進一步的是，在步驟D中，所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
[0036]經(jīng)過大量實驗驗證后，得出本發(fā)明所述的二氧化碳氣體傳感器和現(xiàn)有的二氧化碳氣體傳感器對不同濃度的CO2氣體氣敏響應的柱狀對比圖，如圖3所示，縱坐標為氣敏響應的靈敏度值，橫坐標為二氧化碳的濃度值，RGO表示氧化石墨烯，ZnO表示氧化鋅，現(xiàn)有的二氧化碳氣體傳感器是沒有氧化鋅顆粒構(gòu)成的非連續(xù)薄膜4，由圖中可以看出，本發(fā)明所述的二氧化碳氣體傳感器對CO2氣體的氣敏響應和現(xiàn)有的二氧化碳氣體傳感器相比提高了將近200%,且利于待測氣體分子的解吸附。
【權(quán)利要求】
1.二氧化碳氣體傳感器，包括襯底(I )，所述襯底(I)的上表面設(shè)置有叉指電極(2)，其特征在于:所述叉指電極(2)表面沉積有顆粒狀支撐體形成的非連續(xù)薄膜(4)，所述非連續(xù)薄膜(4)表面沉積有氧化石墨烯構(gòu)成的二氧化碳敏感薄膜(3)，所述二氧化碳敏感薄膜(3)通過顆粒支撐體之間的間隙與叉指電極(2 )接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳氣體傳感器，其特征在于:所述顆粒狀支撐體為氧化鋅顆粒。
3.如權(quán)利要求1或2所述的二氧化碳氣體傳感器，，其特征在于:所述襯底(I)采用二氧化硅或硅材料制作而成。
4.二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: A、制備醋酸鋅溶膠； B、將醋酸鋅溶膠沉積在叉指電極(2)上，所述叉指電極(2)固定在襯底(I)上； C、將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極(2)放置在高溫環(huán)境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋅顆粒； D、將氧化石墨烯溶液沉積在經(jīng)過步驟C處理后的叉指電極(2)表面，并進行干燥處理。
5.如權(quán)利要求4所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟A中，采用溶膠凝膠法制備醋酸鋅溶膠，具體如下:將適量的二水合乙酸鋅溶于定量的無水乙醇中，然后加入定量的乙醇胺作為穩(wěn)定劑并攪拌一段時間得到前驅(qū)液，然后加入冰醋酸和氨水形成醋酸鋅溶膠。
6.如權(quán)利要求5所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟B中，將醋酸鋅溶膠通過氣噴成膜的工藝沉積在叉指電極(2)上。
7.如權(quán)利要求6所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟C中，將沉積有醋酸鋅溶膠的叉指電極(2)放置在溫度為300°C的環(huán)境中，醋酸鋅溶膠被氧化形成氧化鋒顆粒。
8.如權(quán)利要求7所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟D中，將氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經(jīng)過步驟C處理后的叉指電極(2)表面。
9.如權(quán)利要求8所述的二氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于:在步驟D中，所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
【文檔編號】G01N27/04GK103645216SQ201310728757
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】謝光忠, 周泳, 黃俊龍, 解濤, 杜曉松, 太惠玲, 蔣亞東 申請人:電子科技大學