本發(fā)明屬于氣敏材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦低濃度二氧化氮?dú)饷魝鞲衅骷捌渲苽浞椒ā?/p>
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展一方面為人類創(chuàng)造出巨大的財(cái)富，另一方面卻給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。工業(yè)生產(chǎn)中氣體原料和廢氣的種類和數(shù)量隨著工業(yè)的發(fā)展而越來越多。這些氣體中，no2是一種強(qiáng)毒性氣體，主要來自汽車和煉油廠燃燒產(chǎn)生的廢氣，是引起酸雨、光化學(xué)煙霧以及腐蝕等環(huán)境問題的工業(yè)污染物之一；另外，no2氣體對(duì)呼吸道有強(qiáng)烈的刺激作用，嚴(yán)重時(shí)造成肺損害甚至肺水腫，所以快速準(zhǔn)確地對(duì)no2監(jiān)測(cè)越來越受到關(guān)注。
用于no2環(huán)境監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法(gb/t-15435-1995、hj-479-2009)主要是基于傳統(tǒng)的鹽酸萘乙二胺分光光度法，但該方法操作繁瑣，耗時(shí)長，容易造成二次污染，而且運(yùn)行成本高并需要日常維護(hù)，給戶外實(shí)時(shí)檢測(cè)帶來了不便。研究體積小、成本低、能夠準(zhǔn)確、快捷地監(jiān)測(cè)大氣中no2的氣體傳感器具有重要的意義。近年來，結(jié)合納米技術(shù)研制成功的金屬氧化物傳感器，以其較高的靈敏度和選擇性，良好的穩(wěn)定性和恢復(fù)性,以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于有毒氣體、可燃可爆氣體、工業(yè)廢氣等氣體的檢測(cè)中。
氧化銦(in2o3)是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，為bixbyite的晶體結(jié)構(gòu)，屬于c-type稀土族類具有缺陷的氧化物，晶格常數(shù)為
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，該傳感器能對(duì)低濃度二氧化氮有良好的響應(yīng)特性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，是將附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極依次在丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗，烘干備用；將氧化銦納米粉體與松油醇混合，在研缽中研磨均勻，采用旋涂法將氧化銦漿料涂抹于陶瓷平面電極上制成氣敏元件，將所述氣敏元件置于烘箱中烘干；然后將所述烘干后的氣敏元件置于馬弗爐，在一定溫度下進(jìn)行煅燒，制備成具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件；將具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件的四條鉑導(dǎo)電絲焊接在基座上部的四根引線柱上，基座上部加蓋有管帽，經(jīng)老化處理后得到旁熱式氧化銦納米氣敏傳感器。其具體步驟如下：
(1)將附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極依次在丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗5min，烘干備用；
(2)稱取一定量的氧化銦納米粉體，與松油醇混合，在研缽中研磨30min，使其成為分散均勻的漿料；
(3)采用旋涂法將氧化銦漿料涂抹于陶瓷平面電極上制成氣敏元件，將所述氣敏元件置于烘箱中烘干；
(4)然后將步驟(3)所得氣敏元件置于馬弗爐，在500-800℃下煅燒2h，制備成具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件；
(5)將所述的氣敏元件的鉑導(dǎo)電絲焊接在氣敏器件的基座上并加蓋管帽；
(6)將步驟(5)所得的氣敏器件老化處理3-10天后得到旁熱式氧化銦納米氣敏傳感器。
步驟(1)所述的陶瓷平面電極背面有加熱層，用于氣敏元件的加熱處理；
步驟(2)所述的氧化銦粉體為三維顆粒結(jié)構(gòu)，直徑為100-200nm。
步驟(3)中所述的旋涂法轉(zhuǎn)速為5000-8000r/min；
步驟(4)中的控制煅燒升溫速率為5-10℃/min；
步驟(6)中所述老化為電老化，兩端所加電壓為5v；
步驟(1)和步驟(3)所述的烘干是指在溫度為80-100℃的烘箱中烘干。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器，所述三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器是通過前述方法制備得到的，且包括陶瓷平面電極、氣敏材料、基座及管帽，所述的陶瓷平面電極正面為金電極，有四條引線，背面為電阻加熱層，用于氣敏元件的加熱處理，所述的氣敏材料為三維結(jié)構(gòu)的氧化銦材料，涂覆在陶瓷平面電極上，所述的陶瓷平面電極的四條引線焊接在基座上部的四根引線柱上，基座上部加蓋有管帽，所述的管帽為管狀不銹鋼材料，可卡套在基座上，高度略高于焊接后的陶瓷平面電極，頂端為不銹鋼網(wǎng)，可使氣體通過同時(shí)防止灰塵等其他外界污染對(duì)傳感器產(chǎn)生不良影響。
本發(fā)明具有如下有益效果：
(1)本發(fā)明在制備過程中的各個(gè)步驟都不使用和產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，有利于環(huán)境保護(hù)；
(2)本發(fā)明制得的氣敏傳感器對(duì)no2表現(xiàn)出較高的靈敏度和快速響應(yīng)、恢復(fù)，檢測(cè)限低，選擇性高；
(3)本發(fā)明制得的氣敏傳感器結(jié)構(gòu)及制備工藝簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)。
附圖說明
圖1是附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是實(shí)施例1氧化銦粉體的低倍sem圖；
圖3是實(shí)施例1氧化銦粉體的高倍sem圖；
圖4是實(shí)施例1制備的三維納米氧化銦氣敏元件的sem圖
圖5是實(shí)施例1制備的三維納米氧化銦氣敏元件對(duì)濃度為1ppm的no2氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)恢復(fù)曲線；
圖6是是實(shí)施例1制備的三維納米氧化銦氣敏元件對(duì)不同濃度no2氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)恢復(fù)曲線；
圖7是實(shí)施例1制備的氣敏元件對(duì)1ppm的no2氣體及對(duì)50ppm的其它氣體的靈敏度比較。
圖8為三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器基座和配套的管帽結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1
三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，包括：
(1)將附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極依次在丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗5min，烘干備用；
(2)稱取1mg氧化銦納米粉體，與1ml松油醇混合，在瑪瑙研缽中研磨30min，使其成為分散均勻的漿料；
(3)用涂料筆將漿料涂覆在陶瓷平面電極上，采用旋涂法用8000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速將氧化銦漿料旋涂均勻制成厚膜，將所述氣敏元件置于烘箱中100℃烘干；
(4)然后將步驟(3)所得氣敏元件置于馬弗爐，在600℃下煅燒2h，制備成具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件；
(5)將所述的氣敏元件的鉑導(dǎo)電絲焊接在氣敏器件的基座上并加蓋管帽；
(6)將步驟(5)所得的氣敏器件老化處理5天后得到旁熱式氧化銦納米氣敏傳感器。
其中，附圖1(a)為附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極的正面示意圖，附圖1(b)為附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極的背面結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯?，附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極正面包括陶瓷基底3，在陶瓷基底3上，涂覆有金電極1，金電極1分別位于兩側(cè)且中間分開露出陶瓷基底3，兩側(cè)的金電極上各設(shè)置有一根鉑導(dǎo)電絲2，在附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極背面的陶瓷基底上，也涂覆有金電極1，金電極位于背面的兩側(cè)，金電極中間設(shè)置有加熱層4，在背面的兩側(cè)金電極1上，也分別設(shè)置有一根鉑導(dǎo)電絲2。
本發(fā)明中采用的附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極，可以直接購買，也可以自己制作，只需要符合附圖1所示的結(jié)構(gòu)即可。
其中附圖8(a)為三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器基座的結(jié)構(gòu)示意圖，包括基座5和貫穿與基座的四根引線柱6，附圖8(b)為與基座配套的管帽，包括管狀不銹鋼材料構(gòu)成的管帽本體6，以及位于本體6頂部的不銹鋼網(wǎng)7。
實(shí)施例2
三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，包括：
(1)將附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極依次在丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗5min，烘干備用；
(2)稱取1mg氧化銦納米粉體，與0.5ml松油醇混合，在瑪瑙研缽中研磨30min，使其成為分散均勻的漿料；
(3)用涂料筆將漿料涂覆在陶瓷平面電極上，采用旋涂法用5000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速將氧化銦漿料旋涂均勻制成厚膜，將所述氣敏元件置于烘箱中100℃烘干；
(4)然后將步驟(3)所得氣敏元件置于馬弗爐，在500℃下煅燒2h，制備成具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件；
(5)將所述的氣敏元件的鉑導(dǎo)電絲焊接在氣敏器件的基座上并加蓋管帽；
(6)將步驟(5)所得的氣敏器件老化處理3天后得到旁熱式氧化銦納米氣敏傳感器。
實(shí)施例3
三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，包括：
(1)將附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極依次在丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗5min，烘干備用；
(2)稱取1mg氧化銦納米粉體與0.5ml松油醇混合，在瑪瑙研缽中研磨30min，使其成為分散均勻的漿料；
(3)用涂料筆將漿料涂覆在陶瓷平面電極上，采用旋涂法用5000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速將氧化銦漿料旋涂均勻制成厚膜，將所述氣敏元件置于烘箱中100℃烘干；
(4)然后將步驟(3)所得氣敏元件置于馬弗爐，在600℃下煅燒2h，制備成具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件；
(5)將所述的氣敏元件的鉑導(dǎo)電絲焊接在氣敏器件的基座上并加蓋管帽；
(6)將步驟(5)所得的氣敏器件老化處理7天后得到旁熱式氧化銦納米氣敏傳感器。
實(shí)施例4
(1)三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，包括：將附有金電極和鉑導(dǎo)電絲的陶瓷平面電極依次在丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗5min，烘干備用；
(2)稱取1mg氧化銦納米粉體，與0.5ml松油醇混合，在瑪瑙研缽中研磨30min，使其成為分散均勻的漿料；
(3)用涂料筆將漿料涂覆在陶瓷平面電極上，采用旋涂法用8000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速將氧化銦漿料旋涂均勻制成厚膜，將所述氣敏元件置于烘箱中100℃烘干；
(4)然后將步驟(3)所得氣敏元件置于馬弗爐，在700℃下煅燒2h，制備成具有三維結(jié)構(gòu)的納米氧化銦氣敏元件；
(5)將所述的氣敏元件的鉑導(dǎo)電絲焊接在氣敏器件的基座上并加蓋管帽；
(6)將步驟(5)所得的氣敏器件老化處理5天后得到旁熱式氧化銦納米氣敏傳感器。
實(shí)施例5
三維結(jié)構(gòu)納米氧化銦氣敏傳感器的制備方法，包括：
(1)二氧化氮的測(cè)定：通過調(diào)節(jié)加熱電壓，控制傳感器的工作溫度在200℃，采用恒電位法，在回路電壓不變的情況下，通過記錄氣敏器件的電信號(hào)變化得到傳感器在空氣和待測(cè)氣體中的電阻變化；
(2)傳感器的響應(yīng)值為：s＝ra/rg，其中ra為傳感器在空氣中的電阻，rg為傳感器在待測(cè)氣體中的電阻；
(3)采用動(dòng)態(tài)配氣法將no2標(biāo)準(zhǔn)氣體(濃度為10ppm)通入氣體測(cè)試平臺(tái)，將氣體傳感器器件暴露在待測(cè)氣體中，利用質(zhì)量流量計(jì)(mfc)或高精度配氣系統(tǒng)配制100，200，400，600，800，1000和1200ppb濃度梯度的no2標(biāo)準(zhǔn)氣體，測(cè)定其響應(yīng)值，得到no2濃度標(biāo)準(zhǔn)梯度曲線，如圖6所示。同時(shí)采用相同方法，配制1ppmno2和50ppmco、h2、ch4、nh3、ch3ch2oh的標(biāo)準(zhǔn)氣體，獲得該氣敏器件對(duì)no2氣體的選擇性，結(jié)果如圖5、7所示，該氣敏元件對(duì)低濃度no2有良好的響應(yīng)靈敏度，并具有較強(qiáng)干擾能力。
需要說明，上述描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，也不是對(duì)本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
在本說明書中所談到的“一個(gè)實(shí)施例”、“另一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”等，指的是結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)包括在本申請(qǐng)概括性描述的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書中多個(gè)地方出現(xiàn)同種表述不是一定指的是同一個(gè)實(shí)施例。進(jìn)一步來說，結(jié)合任一個(gè)實(shí)施例描述一個(gè)具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)時(shí)，所要主張的是結(jié)合其他實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
盡管這里參照發(fā)明的多個(gè)解釋性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出很多其他的修改和實(shí)施方式，這些修改和實(shí)施方式將落在本申請(qǐng)公開的原則范圍和精神之內(nèi)。更具體地說，在本申請(qǐng)公開權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以對(duì)主題組合布局的組成部件和/或布局進(jìn)行多種變型和改進(jìn)。除了對(duì)組成部件和/或布局進(jìn)行的變型和改進(jìn)外，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的用途也將是明顯的。