[發明專利]納米纖維和粒子粘附層的雙敏感層氣體傳感器及制備方法

無效

• 申請號: 201110213927.X
• 申請日: 2011-07-29
• 公開（公告）號: CN102279210A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發明（設計）人: 李國棟;漆奇;趙君;王培培
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;B81C1/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于氣體傳感器技術領域，特別是涉及一種由納米纖維和粒子粘附層組成的雙敏感層結構的氣體傳感器及制備方法。

背景技術

氣體傳感器是應用較廣、用量較大的一類傳感器，在產品質量管理、環境監測監控、植物栽培、家用電器、醫藥制造等領域都起著重要的作用，在氣象、輕紡、農林、建筑、空調、國防、科研等領域占有重要地位。通常，氣體傳感器在性能方面追求的是：靈敏度高，檢測精度高；響應恢復快，探測時間短；制造工藝簡單，易于批量生產，轉換電路簡單，成本低等。在氣體傳感器的發展過程中，基于金屬氧化物氣敏材料的化學傳感器由于其在體積、成本上的優勢，逐漸為人們所重視。迄今，基于氧化物的傳感器已成為民用氣體傳感器中需求量最大、應用面最廣的一類氣體傳感器。

傳統的金屬氧化物氣敏材料多為粒子材料，通常采用溶膠凝膠等方法合成，這些合成過程簡單方便且易于摻雜，所獲得的材料產量大、均勻性好，但是容易團聚，對氣體的吸附能力有限，且敏感膜的結構無法精確控制，對氣體吸附和脫附的時間都較長。這些不足導致目前基于金屬氧化物的化學類氣體傳感器的性能無法與紅外傳感器這些物理類氣體傳感器相比擬。

近年，隨著材料科學的發展，人們發現一維納米材料能夠有效地防止材料之間的團聚，且具有比表面積大、長徑比高、易于形成網狀結構、信號有向傳導等特性，從而制作的氣體傳感器靈敏度極高，響應恢復速度迅速。通過靜電紡絲法合成的納米纖維是一種典型的一維納米材料，這類纖維的長度可達數十毫米，而直徑僅為幾十到幾百納米，且纖維易于摻雜、方向位置可控、產率高、合成過程可以與半導體器件制作過程有效兼容，因此是目前研究最廣，應用前景最好的一維納米敏感材料之一。

納米纖維在傳感器制作過程中的一個障礙就是納米纖維與信號電極之間粘附能力差，這是因為信號電極與襯底之間存在高度差，纖維與電極之間僅存在點與點之間的不穩定接觸，同時納米纖維在合成過程中的煅燒處理將會導致纖維收縮，這些因素導致纖維與電極之間接觸能力降低，使得纖維表面與氣體反應產生的電信號在傳導至電極的過程中發生損耗。目前已報道的解決這一問題的途徑是熱壓，即將纖維在一定高溫下施壓從而提高與電極之間的接觸能力，但是這種方法將會破壞纖維形貌，使得纖維斷裂因而降低敏感性能。

另一方面，納米纖維在傳感器襯底上會自然地形成網狀結構，這種結構雖然有利于氣體的吸附和脫附，但是網孔通常在幾十平方微米至數平方毫米之間，從而襯底上不少區域都是沒有被敏感材料覆蓋的，這無疑是降低了傳感器的有效面積。因此，一旦激活了這些被浪費的面積，傳感器的性能將獲得有效地提升。

發明內容

針對以上問題，本發明提出了一種利用粒子粘附層來提高納米纖維與信號電極之間的接觸能力，并且增強傳感器襯底的利用率，從而有效地提升傳感器性能的方法。

本發明的主要優點是制作過程簡單，僅需要一次磁控濺射；易于批量生產，可以一次性地在數百個傳感器制作上沉積粒子材料層；且提升效果明顯，制作粒子粘附層后，傳感器在靈敏度和響應恢復方面都有顯著地提升，因此本發明將有望促進納米纖維在氣體傳感器方面的應用。

本發明所述的雙敏感層氣體傳感器，其結構如圖1所示，其特征在于：該器件從下至上依次由加熱電極4、下絕緣層2、硅片1、上絕緣層3、信號電極5、粒子粘附層6、納米纖維敏感層7、加熱電極引線10和信號電極引線11組成。

一般地，硅片1為<100>晶向雙面拋光硅片，厚度為0.2～2mm；下絕緣層2和上絕緣層3為SiO₂或者SiNx，厚度為50～500nm；加熱電極4和信號電極5為Pt或者Au，厚度為10～200nm；粒子粘附層6與納米纖維層敏感層7為同種金屬氧化物氣敏材料，如SnO₂、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃、In₂O₃及WO₃等，粒子粘附層6采用磁控濺射法沉積制備，粒子直徑10～200nm，厚度50～200nm；納米纖維敏感層7采用靜電紡絲法制備，纖維直徑50～200nm，長度1μm～10mm。