專利名稱：一種通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法
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(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法。
背景技術(shù)：
近年來隨著人們對(duì)健康空氣環(huán)境的日益關(guān)注，開發(fā)檢測(cè)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(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，在氣體傳感器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)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(duì)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(duì)氧氣的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間都很長(zhǎng)，許多還原性氣體對(duì)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(duì)上述存在問題，提供一種通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法，以克服其對(duì)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(qiáng)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°C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(qiáng)氣敏元件對(duì)常規(guī)濃度氧氣的氣敏性能,氣敏元件的工作溫度為150-400°C，氣敏元件對(duì)體積百分比濃度為10-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時(shí)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(shí)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) +60 (adsorbed) — 2C02+3H20+6e。在乙醇蒸氣輔助下氧氣在氧化鋅表面吸附會(huì)加快，可以很快達(dá)到吸附平衡。當(dāng)氧化鋅處在飽和乙醇蒸氣中時(shí)，會(huì)對(duì)乙醇吸附飽和，此時(shí)若氧化鋅表面氧氣濃化度變大時(shí)，氧化鋅吸附氧量會(huì)變化，這個(gè)反應(yīng)在乙醇輔助下會(huì)很快達(dá)到平衡，大大縮短了氧氣敏的響應(yīng)時(shí)間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法，操作簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，該方法克服了還原性氣體對(duì)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(shí)這種方法得出的靈敏度和氧氣濃度有很好的線性關(guān)系。


圖1為實(shí)施例1樣品得到的氧化鋅對(duì)不同濃度氧氣的氣敏響應(yīng)曲線，其中:圖1a是對(duì)低于空氣中氧氣濃度的氧氣的氣敏響應(yīng)曲線，圖1b是對(duì)高于空氣中氧氣濃度的氧氣的氣敏響應(yīng)曲線。圖2為實(shí)施例2中樣品得到的氧化鋅對(duì)不同濃度氧氣的氣敏響應(yīng)曲線。圖3a為實(shí)施例1和實(shí)施例2兩個(gè)樣品得到的氧化鋅對(duì)低于空氣濃度氧氣的靈敏度對(duì)比；圖3b為實(shí)施例1和實(shí)施例2兩個(gè)樣品得到的氧化鋅對(duì)高于空氣濃度氧氣的靈敏度對(duì)比。圖4為實(shí)施例1和實(shí)施例2中樣品的SEM圖，其中:圖4a是實(shí)施例1樣品的SEM圖，圖4b是實(shí)施例2樣品的SEM圖。具體實(shí)施方法實(shí)施例1:一種通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)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I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°c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(qiáng)氣敏元件對(duì)常規(guī)濃度氧氣的氣敏性能，氣敏元件的工作溫度為200°C，以空氣中標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度的靈敏度為O點(diǎn)，氣敏元件對(duì)體積百分比濃度為10-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時(shí)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)。圖1為實(shí)施例1樣品得到的氧化鋅對(duì)不同濃度氧氣的氣敏響應(yīng)曲線，其中:圖1a是對(duì)低于空氣中氧氣濃度的氧氣體積百分比分別為10%、15%、18%的氧氣的氣敏敏響應(yīng)曲線，圖1b是對(duì)高于空氣中氧氣濃度的22%-35%的氧氣敏響應(yīng)曲線，圖中顯示:用這種方法氧化鋅對(duì)10%-35%的氧氣有較快的響應(yīng)，響應(yīng)也能達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的平臺(tái)。實(shí)施例2:一種通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法，用平均直徑120nm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1.3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20°C溫度下的乙醇飽和蒸氣中，乙醇飽和蒸氣壓為5.5kPa，，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(qiáng)氣敏元件對(duì)常規(guī)濃度氧氣的氣敏性能,氣敏元件的工作溫度為200°C，以空氣中標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度的靈敏度為O點(diǎn)，氣敏元件對(duì)體積百分比濃度為15-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時(shí)間小于90秒，在該氧氣濃度范圍內(nèi)氣敏元件為線性響應(yīng)。圖2為實(shí)施例2中樣品得到的氧化鋅對(duì)不同濃度氧氣的氣敏響應(yīng)曲線，圖中表明:用這種方法氧化鋅對(duì)15%-35%的氧氣有較快的響應(yīng)，響應(yīng)也能達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的平臺(tái)。
圖3a為實(shí)施例1和實(shí)施例2兩個(gè)樣品得到的氧化鋅對(duì)低于空氣濃度氧氣的靈敏度對(duì)比，圖3b為實(shí)施例1和實(shí)施例2兩個(gè)樣品得到的氧化鋅對(duì)高于空氣濃度氧氣的靈敏度對(duì)比，圖中顯示:兩個(gè)實(shí)施例結(jié)果基本一致，而且靈敏度和氧氣濃度有很好的線性關(guān)系。圖4為實(shí)施例1和實(shí)施例2中樣品的SEM圖，其中:圖4a是實(shí)施例1樣品的SEM圖，圖4b是實(shí)施例2樣品的SEM圖，從圖中可以看到:實(shí)施例1中氧化鋒納米棒陣列直徑平均是80nm，實(shí)施例2中氧化鋅納米棒陣列直徑平均為120nm。
權(quán)利要求
1.一種通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法，其特征在于: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°C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(qiáng)氣敏元件對(duì)常規(guī)濃度氧氣的氣敏性能，氣敏元件的工作溫度為150-400°C，氣敏元件對(duì)體積百分比濃度為10-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時(shí)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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法，其特征在于: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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)ZnO氧氣敏性能的方法，其特征在于: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。
全文摘要
一種通過乙醇飽和蒸氣增強(qiáng)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(qiáng)氣敏元件對(duì)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(duì)體積百分比濃度為10-35%的氧氣靈敏，響應(yīng)時(shí)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)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該方法操作簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，克服了還原性氣體對(duì)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，且其靈敏度和氧氣濃度有很好的線性關(guān)系，在空氣中氧氣濃度檢測(cè)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N27/12GK103149251SQ20131006405
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者袁志好, 趙淑枝, 齊高璨 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)