[發(fā)明專利]一種通過乙醇飽和蒸氣增強ZnO氧氣敏性能的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310064056.9
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103149251A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁志好;趙淑枝;齊高璨
• 申請（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過乙醇飽和蒸氣增強ZnO氧氣敏性能的方法。

背景技術(shù)

近年來隨著人們對健康空氣環(huán)境的日益關(guān)注，開發(fā)檢測室內(nèi)氧氣含量的氣體傳感器也越來越受到重視。氧化鋅是一種應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料，氧化鋅材料因具有制備工藝簡單、成本低、應(yīng)用范圍廣等特點，在氣體傳感器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。然而迄今有關(guān)氧化鋅材料在O₂氣敏方面的研究大多是針對真空環(huán)境下、低濃度的氧氣，很少涉及與空氣組成相匹配的氧氣濃度的氣敏。

氧化鋅基氣敏元件大多使用其納米棒陣列膜作為氣敏材料，但目前所研究的氧化鋅基氧氣傳感器對氧氣的響應(yīng)和恢復(fù)時間都很長，許多還原性氣體對氧氣的響應(yīng)很容易產(chǎn)生干擾，阻礙了其應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種通過乙醇飽和蒸氣增強ZnO氧氣敏性能的方法，以克服其對常規(guī)濃度氧氣的響應(yīng)易受還原性氣體干擾、響應(yīng)速度慢及無法線性響應(yīng)等不足。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種通過乙醇飽和蒸氣增強ZnO氧氣敏性能的方法，用ZnO納米棒陣列膜作為氣敏材料制備氣敏元件，將ZnO納米棒陣列膜氣敏元件處于10-30℃溫度下的乙醇飽和蒸氣中，利用乙醇飽和蒸氣的輔助氧化反應(yīng)來增強氣敏元件對常規(guī)濃度氧氣的氣敏性能，氣敏元件的工作溫度為150-400℃，氣敏元件對體積百分比濃度為10-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時間小于110秒，在該氧氣濃度范圍內(nèi)氣敏元件為線性響應(yīng)。

所述ZnO納米棒陣列膜的膜厚為0.5-2微米；納米棒為（001）晶面取向，其直徑為20-130納米。

所述乙醇飽和蒸氣的氣壓為3-10kPa，該乙醇飽和蒸氣是通過無水乙醇液體在室溫下自然揮發(fā)產(chǎn)生。

本發(fā)明的工作原理：

目前研究已經(jīng)證實氧化鋅表面能吸附氧氣，氧氣從氧化鋅吸收電子變成氧離子，而氧化鋅表面失去電子形成耗盡層，氧化鋅電阻變大，而乙醇等還原性氣體能和吸附的氧離子發(fā)生反應(yīng)，把吸附的氧離子還原，重新釋放電子到氧化鋅表面，其反應(yīng)式為：

CH₃CH₂OH(adsorbed)+6O^-(adsorbed）→2CO₂+3H₂O+6e^-。

在乙醇蒸氣輔助下氧氣在氧化鋅表面吸附會加快，可以很快達到吸附平衡。當(dāng)氧化鋅處在飽和乙醇蒸氣中時，會對乙醇吸附飽和，此時若氧化鋅表面氧氣濃化度變大時，氧化鋅吸附氧量會變化，這個反應(yīng)在乙醇輔助下會很快達到平衡，大大縮短了氧氣敏的響應(yīng)時間。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明通過乙醇飽和蒸氣增強ZnO氧氣敏性能的方法，操作簡單容易實現(xiàn)，該方法克服了還原性氣體對氧化鋅氣敏元件的氧氣響應(yīng)的干擾，而且氧氣響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，同時這種方法得出的靈敏度和氧氣濃度有很好的線性關(guān)系。

附圖說明

圖1為實施例1樣品得到的氧化鋅對不同濃度氧氣的氣敏響應(yīng)曲線，其中：

圖1a是對低于空氣中氧氣濃度的氧氣的氣敏響應(yīng)曲線，圖1b是對高于空氣中氧氣濃度的氧氣的氣敏響應(yīng)曲線。

圖2為實施例2中樣品得到的氧化鋅對不同濃度氧氣的氣敏響應(yīng)曲線。

圖3a為實施例1和實施例2兩個樣品得到的氧化鋅對低于空氣濃度氧氣的靈敏度對比；圖3b為實施例1和實施例2兩個樣品得到的氧化鋅對高于空氣濃度氧氣的靈敏度對比。

圖4為實施例1和實施例2中樣品的SEM圖，其中：圖4a是實施例1樣品的SEM圖，圖4b是實施例2樣品的SEM圖。

具體實施方法

實施例1：

一種通過乙醇飽和蒸氣增強ZnO氧氣敏性能的方法，用平均直徑80nm的ZnO納米棒陣列膜作為氣敏材料制備氣敏元件，該氣敏元件陣列膜的膜厚為1微米，納米棒為（001）晶面取向，將ZnO納米棒陣列膜氣敏元件處于19℃溫度下的乙醇飽和蒸氣中，乙醇飽和蒸氣壓為5kPa，該乙醇飽和蒸氣壓是無水乙醇液體在該室溫下自然揮發(fā)產(chǎn)生，利用乙醇飽和蒸氣的輔助氧化反應(yīng)來增強氣敏元件對常規(guī)濃度氧氣的氣敏性能，氣敏元件的工作溫度為200℃，以空氣中標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度的靈敏度為0點，氣敏元件對體積百分比濃度為10-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時間小于105秒，在該氧氣濃度范圍內(nèi)氣敏元件為線性響應(yīng)。