[發(fā)明專利]一種半導體納米線音叉式氣體濃度傳感器及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910083771.0
• 申請日: 2009-05-13
• 公開（公告）號: CN101561381A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發(fā)明（設計）人: 馮紅彬;李景虹;黃瑾
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N5/00
• 分類號: G01N5/00;G01D5/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 朱 琨

技術領域

本發(fā)明涉及半導體納米線音叉式氣體濃度傳感器及其制備方法，屬于氣體濃度檢測技術領域。

背景技術

一維納米材料如納米管、納米線、納米帶等由于比表面積大，使其對表面吸附非常敏感。研究人員已經開始利用納米線電學性質對氣體吸附的敏感性制備氣體傳感器，因為當外界環(huán)境因素改變時會引起表面、界面離子、電子運輸?shù)惹闆r的變化，顯著影響其電阻。一維納米結構半導體金屬氧化物，如氧化鋅、氧化錫、氧化銦納米線對周圍氣體是相當靈敏的。由于它們在未來小型氣體傳感器上潛在的應用，越來越受研究人員的廣泛關注。但是此類傳感器多數(shù)需要高溫條件，這就限制了其應用開發(fā)。近來我們發(fā)現(xiàn)納米線的機械振蕩性能對有機氣體的吸附非常敏感，而且這種快速可重復的響應可以在常溫下實現(xiàn)。

石英音叉是一種大眾化的產品常用于電子手表的定時裝置。石英音叉是雙叉頭型的壓電諧振器.雙叉頭結構為諧振器內部提供了良好的動態(tài)平衡，它的兩個叉齒的橫向振動相差180°，因而分布在叉齒兩端基部的動態(tài)力是大小相等方向相反的一對力偶.這樣，對耦合到與其相連結構的振動能量可以忽略不計，使品質因數(shù)(Q)值極高。石英音叉具有結構簡單、牢固可靠體積小、重量輕、成本低、線性度好、靈敏度高、低功耗、易大量生產、一致性好、直接數(shù)字輸出、易與計算機接口、適于遙控等特點，已被用到在力學傳感，光聲光譜學，加速器等方面

將半導體納米線固定在音叉的兩叉頭上，此時音叉的共振頻率與切斷納米線時相比將會向高頻位移幾千赫茲，這可以由公式(1)

f0=12πkm]]>

(1)

其中k是音叉的彈性系數(shù)，m是音叉的質量，連接半導體納米線使音叉k顯著增大，從而使共振頻率增大。當音叉發(fā)生共振時，由于兩叉頭基部的振動力是大小相等方向相反的，因此納米線將隨音叉高速振動，并且伴隨微小的拉伸運動。體系的共振頻率與納米線的機械振動行為密切相關，當將半導體納米線置于有機氣氛中時，納米線對氣體吸附的響應表現(xiàn)為共振頻率的位移。我們可以找到氣體濃度變化與共振頻率的位移的曲線，此為該氣體傳感器的檢測機理。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種裝配了半導體納米線的音叉氣體傳感器平臺。本發(fā)明通過熱蒸發(fā)合成了半導體納米線，提出了一種新的氣體傳感的響應機制。這種傳感器有設備簡單、穩(wěn)定性好、可重復使用、靈敏、低能耗、低成本、體積小便于攜帶等優(yōu)點。

本發(fā)明的特征之一，一種半導體納米線音叉式氣體濃度傳感器是由一個去帽后的石英音叉以及粘在所述石英音叉的兩個叉頭上單根剛直的SnO₂納米線所構成。

本發(fā)明的特征之二，一種半導體納米線音叉式氣體濃度傳感器的制備方法，其特征在于依次含有以下步驟：

(1)將商用的石英音叉去帽，用純凈水清洗音叉的叉頭，用氮氣吹干備用；

(2)在顯微鏡下將一根剛直的半導體納米線固定在音叉的兩叉頭上，構成一種半導體納米線音叉式氣體濃度傳感器；

(3)將步驟(2)中所述的音叉式氣體濃度傳感器放入密閉干燥室內干燥24小時。

本發(fā)明的優(yōu)點及效果是：

(1)利用單根半導體納米線對有機氣體的高響應性，響應時間小于1分鐘，通過檢測體系共振頻率的變化測試氣體濃度，實現(xiàn)了常溫下、低能耗、氣體的快速測定，氣體濃度可由濃度-頻移曲線獲得。

(2)本發(fā)明中采用的單根半導體納米線，可以是氧化鋅、氧化錫、氧化銦等半導體納米線。

(3)采用成本低的微裝配音叉作為敏感元件，利于大規(guī)模制備生產，該傳感器設備簡單、穩(wěn)定性好、可重復使用、靈敏、低能耗、低成本、體積小便于攜帶等優(yōu)點，具有巨大應用潛力。

附圖說明

圖1，是用單根SnO₂納米線修飾的石英音叉器件示意圖；

圖2(a)，石英音叉頻率-振幅曲線隨乙醇蒸汽濃度的變化：其中通過改變注入乙醇的體積(μL)來調節(jié)乙醇蒸汽濃度，下同；

圖2(b)，乙醇蒸汽濃度對應石英音叉共振頻率位移曲線：其中y表示音叉共振頻率位移，x表示蒸汽濃度，R表示線性相關系數(shù)，下同；