[發明專利]金屬氧化物反蛋白石結構氣敏元件

無效

• 申請號: 201310409019.7
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103487472A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 王金權;張明;陳小兵;王子謙;張啟濤;吳媛媛;李潔;袁賽賽;王樹喬
• 申請（專利權）人: 揚州大學;淮陰工學院
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于納米材料、微電子元件制備及氣體檢測領域，具體涉及一種金屬氧化物反蛋白石結構氣敏元件。

背景技術

近年來，隨著工業化的迅猛發展和人口的急劇增長，有毒有害和易燃易爆氣體的肆意排放不僅給人類賴以生存的生態環境帶來了嚴重的污染，同時也給人類的工業生產和日常生活安全帶來了極大的威脅。若能實現對有毒有害和易燃易爆氣體的檢測和監控，人們便可以從容地面對這些污染與威脅。現階段研究表明，氣體傳感器已實現對氣體地檢測和監控。

氣體傳感器是通過氣敏材料與被檢測氣體接觸，將被檢測氣體的種類及含量等信息轉換為電或光等信號輸出，根據這些信號地強弱就可以獲得被測氣體在環境中的存在信息。目前最常用的氣敏材料是金屬氧化物，它是通過自身電導率的變化，將被檢測氣體種類及含量等信息換為電信號輸出，從而實現對氣體的檢測。金屬氧化物氣敏材料根據載流子的不同可以分為兩大類：以自由電子作為載流子的n型半導體和以電子空穴作為載流子的p型半導體。接觸氣體既可以是氧化性氣體如NO₂、Cl₂等，也可以是還原性氣體如H₂、CO、CH₄等。

至今，金屬氧化物氣敏材料的氣敏機理模型和理論主要有：表面氧吸附模型、晶界勢壘模型、氧離子勢阱、能級生成理論、體電阻控制模型和空間電荷層調制理論等。根據這些模型和理論，可以通過諸如金屬氧化物間的復合、與聚合物、碳納米管等復合、表面修飾、尺度納米化、多孔化等措施，提高金屬氧化物氣敏材料對氣體檢測的靈敏度和響應時間。

有科學家通過構筑理想蛋白石和反蛋白石結構，可以對顆粒間頸徑大小與氣敏性能的關系做出定量的研究，為深入探索氣敏機理奠定基礎。發明專利（申請號：201110271986.2）述說了反蛋白石膠體晶體氣體傳感器陣列及其制備方法，但只是泛泛地介紹其構思及特點，并沒有做出實例，更無氣敏效果的檢驗。有關文獻曾對反蛋白石結構氣敏材料進行制備，并檢測了氣敏性能，但是并不全面。

發明內容

本發明的目的在于提供一種金屬氧化物反蛋白石結構氣敏元件。

一種金屬氧化物反蛋白石結構材料氣敏元件，所述氣敏元件的制備方法如下：

一種金屬氧化物反蛋白石結構材料氣敏元件，所述氣敏元件的制備方法如下：

（1）制備200-800nm單分散高分子微球，將高分子微球組裝成蛋白石結構；

（2）制備金屬氧化物前軀體溶液，將金屬氧化物充填到蛋白石結構微球間空隙，置于爐中燒結，形成金屬氧化物反蛋白石結構材料；

（3）將金屬氧化物反蛋白石結構材料制成氣敏元件。

其中，步驟（1）中單分散高分子微球為聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚吡咯（PPy）的一種，可通過乳液聚合法、無皂乳液聚合法、分散聚合法或種子聚合法制備。

步驟（1）中蛋白石結構的制備是將單分散高分子微球通過重力沉降法、垂直/斜面溶劑蒸發自組裝、對流自組裝、物理限制自組裝、電場力作用組裝法、離心沉降法或過濾法制備。

步驟（2）中金屬氧化物前軀體中金屬氧化物為氧化錫、氧化銦、氧化鈦、氧化鋁、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋯、氧化鎢、氧化鈰、氧化釤、氧化錳、氧化鑭的一種或兩種以上的任意混合。

步驟（2）中所述金屬氧化物前軀體的制備是將金屬氧化物通過溶膠凝膠法填充到蛋白石結構微球間空隙，置于爐中燒結，形成反蛋白石結構材料；爐中燒結溫度可視金屬氧化物的熔點而定。

步驟（3）中氣敏元件的制備是將制備的金屬氧化物反蛋白石結構材料與水或乙醇混勻，均勻涂敷在氣敏元件基材上，并進行適當的老化。

將氣敏元件插入到氣敏元件測試系統電路中，測試其氣敏性能。

氣敏元件的靈敏度S定義為元件在潔凈空氣中的電阻Ra與在測試氣氛中的電阻Rg之比，即Sr=Ra/Rg。對不同濃度的甲醇、乙醇、甲醛等氣體的氣敏響應用響應電壓表示。

本發明與現有技術相比，其顯著優點是：

（1）現有技術制備的氣敏材料局部不具備有序結構，比表面積低，而本發明制備的氣敏材料孔洞相連，比表面積高。

（2）現有技術制備的氣敏元件對氣體響應一般所需時間較長，靈敏度不是太高，而本發明制備的氣敏元件對氣體氣敏響應迅速，靈敏度高。

（3）現有技術制備的氣敏元件可重復使用次數較低，氣敏響應重現性也不是十分理想，而本發明制備的氣敏元件可以多次重復使用，氣敏響應重現性好。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

附圖說明