[發(fā)明專利]一種用于異丙醇室溫快速檢測的高靈敏納米硅基氣體傳感元件及其制備方法

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• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN110872097A
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發(fā)明（設計）人: 秦玉香;崔震;聞棕擇;張冰瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: B81B1/00
• 分類號: B81B1/00;B81B7/04;B81C1/00
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發(fā)明公開一種用于異丙醇室溫快速檢測的高靈敏納米硅基氣體傳感元件及其制備方法，采用雙重金屬輔助化學刻蝕工藝，對硅納米線表面進行粗糙化處理并有效降低硅納米線的陣列密度，實現(xiàn)氣敏響應的微結(jié)構(gòu)改性；再經(jīng)微結(jié)構(gòu)改性的硅納米線表面均勻包覆超薄醌型聚吡咯薄膜，形成有機?無機核殼復合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)氣敏響應的有機異質(zhì)改性。本發(fā)明形成醌型聚吡咯?硅納米線的有機?無機特殊異質(zhì)結(jié)接觸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對納米硅敏感元的有效有機異質(zhì)改性。通過對硅納米線敏感元的雙重改性處理，實現(xiàn)傳感器件對異丙醇氣體的室溫高靈敏響應。

技術領域

本發(fā)明屬于傳感器技術領域，更加具體地說，涉及一種用于異丙醇室溫快速檢測的高靈敏納米硅基氣體傳感元件及其制備方法，該傳感器元件可有效工作于室溫環(huán)境下，對超稀薄痕量有機異丙醇氣體具有高靈敏的快速響應，最低室溫異丙醇探測濃度低于5ppm。

背景技術

異丙醇作為有機原料和溶劑在工業(yè)領域有著廣泛用途。作為化工原料，可生產(chǎn)丙酮、過氧化氫、甲基異丁基酮、二異丁基酮等工業(yè)原料。在精細化工方面，可用于生產(chǎn)硝酸異丙酯，黃原酸異丙酯、亞磷酸三異丙酯等。在醫(yī)學和農(nóng)業(yè)領域廣發(fā)的用于生產(chǎn)醫(yī)藥和農(nóng)藥。作為溶劑是工業(yè)上比較廉價的溶劑，用途廣，能和水自由混合，對親油性物質(zhì)的溶解力比乙醇強，可以作為硝基纖維素、橡膠、涂料、蟲膠、生物堿等的溶劑。基于此，異丙醇可用于生產(chǎn)涂料、油墨、萃取劑、氣溶膠劑等。還可用作防凍劑、清潔劑、調(diào)和汽油的添加劑、顏料生產(chǎn)的分散劑、印染工業(yè)的固定劑、玻璃和透明塑料的防霧劑等。用作膠黏劑的稀釋劑，還用于防凍劑、脫水劑等。異丙醇在人們的生活密不可分，正在日益成為工業(yè)農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)領域不可或缺的原料。但是，異丙醇蒸氣具有毒性，難聞的氣味，可對人體健康造成有害影響，其排放和泄漏不僅嚴重破壞環(huán)境，還傷害人體呼吸系統(tǒng)。當濃度低于400ppm時會引起眼睛不適，而高濃度會抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起頭暈，嚴重的嘔吐，呼吸減少，出汗過多，腫脹甚至內(nèi)出血。

一維硅納米線在室溫下對多種氣體分子具有好的敏感性能，是一種典型的室溫敏感材料，在低功耗傳感器件中具有很好的發(fā)展前景。為了形成具有較好敏感性能的硅納米線有序陣列，金屬輔助的化學刻蝕是一種簡單且高效的制備方法。特別地，硅納米線以及該種硅納米線的制備工藝具有與硅芯片電路和CMOS器件高度集成兼容的獨特優(yōu)勢，因此，硅納米線有序陣列氣體傳感器在低功耗傳感網(wǎng)絡及微傳感器陣列集成系統(tǒng)領域極具發(fā)展應用前景。然而，一維有序硅基陣列對異丙醇響應較低，制約了硅納米線基氣體傳感器在異丙醇檢測領域的實際應用。

傳統(tǒng)的提升一維硅基氣體敏感性能的有效措施包括材料形貌改進、表面貴金屬修飾以及結(jié)構(gòu)復合等方法。近年來，各種共軛導電高分子材料應用于氣體感知領域的研究不斷拓展，目前，聚苯胺、聚吡咯以及聚噻吩等共軛導電高分子已被用于各種氣體的檢測。其中聚吡咯(PPy)具有導電率高、毒性低、環(huán)境穩(wěn)定性強、生物相容性好、制備簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點。室溫下聚吡咯接觸氣體時，與氣體分子之間將發(fā)生有化學變化的強相互作用和無化學變化的弱相互作用，導致自身導電性或其它物理化學性質(zhì)發(fā)生改變。相比無機半導體材料，有機高分子氣敏材料具有可室溫檢測、加工性好、制備簡單、成本低廉等優(yōu)點，目前已成為敏感材料的研究熱點之一。有機-無機異質(zhì)復合結(jié)構(gòu)作為高性能氣體敏感材料在構(gòu)筑高性能氣體傳感器方面極具應用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于異丙醇室溫快速檢測的高靈敏納米硅基氣體傳感元件及其制備方法，該傳感器(即基于醌型聚吡咯包覆結(jié)構(gòu)的硅納米線有序陣列氣體傳感器)的敏感元兼具有機-無機異質(zhì)特征以及表面粗糙幾何結(jié)構(gòu)的雙重特征，可實現(xiàn)敏感性能的雙重改性增強，對異丙醇氣體具有高室溫靈敏度和快室溫響應特性，特別適用于對微量異丙醇氣體的室溫快速檢測。

本發(fā)明的技術目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)。

一種用于異丙醇室溫快速檢測的高靈敏納米硅基氣體傳感元件的制備方法，按照下述步驟進行：

步驟1，將硅片置于濃硫酸和過氧化氫的混合溶液中浸泡并超聲處理，然后再依次置于丙酮、無水乙醇和去離子水中進行超聲處理，使用去離子水沖洗干凈后烘干，得到制材1