一種高靈敏度多氣體檢測的氣敏傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度多氣體檢測的氣敏傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的發(fā)展、人民生活水平的提高以及對環(huán)境保護(hù)日益重視，人們對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及人居環(huán)境空氣質(zhì)量的檢測都提出了更高的要求。金屬氧化物納米材料因其具有氣敏特性可應(yīng)用于傳感器制造，日益受到重視。
[0003]專利CN200710130714.4公開了一種甲醛氣體傳感器，該傳感器的氣體感測層是通過濺鍍或蒸鍍氧化鎳制成，對甲醛的靈敏度為470 Ω /ppm,但對甲醇和乙醇靈敏度僅為200 Ω /ppm和150 Ω /ppm,對苯幾乎沒有響應(yīng)，而且制備工藝復(fù)雜，成本高。
[0004]專利CN201410766708.8公開了一種以N1納米管作為敏感材料制作的旁熱式甲苯傳感器，其對濃度為5?10ppm甲苯的靈敏度(Rg/Ra)僅為I?1.3。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有以氧化鎳為氣敏材料的傳感器靈敏度差的問題，提供一種高靈敏度多氣體檢測的氣敏傳感器。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下:
一種高靈敏度多氣體檢測的氣敏傳感器，所述氣敏傳感器是以納米氧化鎳為氣敏材料，其特征在于，所述納米氧化鎳是通過包括如下步驟得到:
(1)采用三電極體系在ITO玻璃上電化學(xué)沉積鎳:工作電極為ITO玻璃，輔助電極為Ni，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為硫酸鎳水溶液；
(2)步驟(I)沉積鎳后的ITO玻璃在空氣氣氛下于350?380°C處理60?90min，冷卻，超聲處理，得到具有玫瑰花狀形貌的所述納米氧化鎳。
[0007]進(jìn)一步，電化學(xué)沉積時(shí)，電流密度為-0.2?-0.7mA/cm2，沉積時(shí)間為200?400s。
[0008]進(jìn)一步，電解液中硫酸鎳的濃度為0.04?0.05mol/Lo
[0009]進(jìn)一步，所述電解液的pH為4?7。
[0010]進(jìn)一步，所述ITO玻璃的表面電阻為8?ΙΟΩ/cm2。
[0011]進(jìn)一步，所述氣敏傳感器為旁熱式氣敏傳感器。
[0012]上述氣敏傳感器用于檢測醇類、酮類、醛類、苯類氣體。
[0013]進(jìn)一步，所述醇類氣體為甲醇、乙醇、丙醇等；所述醛類氣體為甲醛、乙醛等；所述酮類氣體為丙酮等；所述苯類氣體苯、甲苯、二甲苯等。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
與現(xiàn)有以納米氧化鎳作為氣敏材料的氣敏傳感器相比，本發(fā)明的氣敏傳感器可顯著提高對氣體的檢測靈敏度，特別是濃度低至20ppm以下的靈敏度。
[0015]本發(fā)明工藝簡單，成本低，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化能力高，易于批量生產(chǎn)，功耗低，無污染，與環(huán)境友好。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所得納米氧化鎳的X-射線衍射譜圖(XRD)。
[0017]圖2為本發(fā)明所得納米氧化鎳的掃描電子顯微鏡(SEM)照片(圖(a)ITO襯底上生長出的納米顆粒；(b)從襯底上分離下來的納米顆粒)。
[0018]圖3為旁熱式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的乙醇?xì)怏w的氣敏響應(yīng)曲線。
[0020]圖5為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的乙醇?xì)怏w的靈敏度曲線。
[0021]圖6為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的丙酮?dú)怏w的氣敏響應(yīng)曲線。
[0022]圖7為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的丙酮?dú)怏w的靈敏度曲線。
[0023]圖8為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的甲苯氣體的氣敏響應(yīng)曲線。
[0024]圖9為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的甲苯氣體的靈敏度曲線。
[0025]圖10為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的甲醛氣體的氣敏響應(yīng)曲線。
[0026]圖11為本發(fā)明氣敏傳感器對不同濃度的甲醛氣體的靈敏度曲線。
[0027]圖12為本發(fā)明氣敏傳感器對不同氣體(5ppm)的氣敏響應(yīng)曲線。
[0028]圖13為本發(fā)明所得納米氧化鎳的透射電子顯微鏡(TEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]實(shí)施例1
(一)納米氧化鎳的制備
1.依次用去脂劑、丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗ITO玻璃襯底(表面電阻8.5Ω/cm2)各15?20min，70°C烘干待用；
2.電解液:將1.85g NiSO4.6Η20溶于150mL去離子水，在室溫下磁力攪拌2?3 h，調(diào)節(jié)pH至5，靜置24 h待用；
3.構(gòu)建三電極體系:工作電極為ITO玻璃(IcmX2 cm)，輔助電極為純度99.9%的Ni網(wǎng)(2 cmX3 cm)，參比電極為飽和甘汞電極；
4.電化學(xué)沉積:極化方式為恒電流極化，電流密度為-0.7mA/cm2;沉積時(shí)間為250s ;沉積后在ITO表面呈深灰色，即Ni原子層。
[0031]5.將沉積有Ni原子層的ITO玻璃置于恒溫加熱平臺上，在空氣中加熱至380°C，恒溫氧化90 min，然后自然冷卻至室溫，ITO表面變成淡綠色半透明狀，相應(yīng)的XRD如圖1所示，圖13為粉末的TEM照片，表明在ITO表面得到為N1 ；
6.將步驟5)的ITO玻璃置于去離子水中超聲處理，使N1分散到去離子水中，然后收集洗液烘干，得到粉末，圖2 (b)為粉末的SEM照片，可以看出，N1呈玫瑰花狀，直徑約400 ?550 nm。
[0032](二)旁熱式氣敏傳感器的制作
如圖3所示，旁熱式氣敏傳感器一般包括絕緣層、氣敏層、電極和加熱絲。先將步驟(I)制得的玫瑰花狀納米N1粉末用乙二醇按質(zhì)量比為1:2調(diào)配成粘稠液，然而將粘稠液均勻涂覆在陶瓷管外壁，加熱至80°C，干燥50min，得到N1納米氣敏層，冷卻后，按照通用旁熱式氣敏元件進(jìn)行封裝。
[0033]由圖4和圖5可以看出，本發(fā)明的氣敏傳感器對濃度為0.5ppm的乙醇?xì)怏w的靈敏度(Rg/Ra)可達(dá)到 3.4 (83.1K Ω/ppm);在濃度為 5ppm 時(shí)，靈敏度為 7.3 (25.4 ΚΩ/ppm)；在濃度為1ppm時(shí)，靈敏度為9.4 (21.7 K Ω/ppm)，工作溫度介于200~250°C之間。
[0034]由圖6和圖7可以看出，本發(fā)明的氣敏傳感器對濃度為Ippm的丙酮?dú)怏w的靈敏度(Rg/Ra)可達(dá)到 3.4 (58.2 K Ω/ppm);在濃度為 5ppm 時(shí)，靈敏度為 5.3 (15.4 ΚΩ/ppm);在濃度為1ppm時(shí)，靈敏度為7.2 (12.8 K Ω/ppm)，工作溫度介于230~270°C之間。
[0035]由圖8和圖9可以看出，本發(fā)明的氣敏傳感器對濃度為Ippm的甲苯氣體的靈敏度(Rg/Ra)可達(dá)到 7.05 (84.7 K Ω/ppm);在濃度為 5ppm 時(shí)，靈敏度為 11.3 (30.28 ΚΩ/ppm);在濃度為1ppm時(shí)，靈敏度為13.6 (18.44K Ω/ppm);在濃度為25ppm時(shí)，靈敏度為20.8 (11.95ΚΩ/ρρπι)，工作溫度介于 210~270°C之間。
[0036]由圖10和圖11可以看出，本發(fā)明的氣敏傳感器對濃度為0.05ppm的甲醛氣體的靈敏度(Rg/Ra)可達(dá)到1.44 (340ΚΩ/ΡΙΛ);在濃度為0.5ppm時(shí)，靈敏度為2.13 (80.1 ΚΩ/PPb)，工作溫度介于220~280°C之間。
[0037]圖12為本發(fā)明氣敏傳感器對濃度為5ppm的不同氣體的氣敏響應(yīng)曲線。
[0038]實(shí)施例2
與實(shí)施例1不同在于，步驟(一)中，電解液pH為4，ITO玻璃的表面電阻為9 Ω /cm2,電化學(xué)沉積時(shí)電密度為-0.2mA/cm2、沉積時(shí)間400s，空氣中加熱氧化時(shí)溫度370°C、恒溫氧化60 min0
[0039]實(shí)施例3
與實(shí)施例1不同在于，步驟(一)中，1.75g NiSO4.6Η20/ 150mL水，電解液pH為7，ITO玻璃的表面電阻為10 Ω /cm2，電化學(xué)沉積時(shí)電密度為-0.5mA/cm2、沉積時(shí)間200s，空氣中加熱氧化時(shí)溫度350°C、恒溫氧化70 min。
[0040]本發(fā)明氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)并不局限于上述的旁熱式結(jié)構(gòu)，對于直熱式結(jié)構(gòu)也同樣適用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高靈敏度多氣體檢測的氣敏傳感器，所述氣敏傳感器是以納米氧化鎳為氣敏材料，其特征在于，所述納米氧化鎳是通過包括如下步驟得到: (1)采用三電極體系在ITO玻璃上電化學(xué)沉積鎳:工作電極為ITO玻璃，輔助電極為Ni，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為硫酸鎳水溶液； (2)步驟(I)沉積鎳后的ITO玻璃在空氣氣氛下于350?380°C處理60?90min，冷卻，超聲處理，得到具有玫瑰花狀形貌的所述納米氧化鎳。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，電化學(xué)沉積時(shí)，電流密度為-0.2?-0.7mA/cm2，沉積時(shí)間為200?400s。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，電解液中硫酸鎳的濃度為0.04?0.05mol/Lo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述電解液的pH為4?7。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述ITO玻璃的表面電阻為8?10 Ω /cm2。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于，所述氣敏傳感器為旁熱式氣敏傳感器。7.權(quán)利要求1所述氣敏傳感器用于檢測醇類、酮類、醛類、苯類氣體。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用途，其特征在于，所述醇類氣體為甲醇、乙醇、丙醇；所述醛類氣體為甲醛、乙醛；所述酮類氣體為丙酮；所述苯類氣體苯、甲苯、二甲苯。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種高靈敏度多氣體檢測的氣敏傳感器，所述氣敏傳感器是以納米氧化鎳為氣敏材料，其特點(diǎn)在于，所述納米氧化鎳是通過包括如下步驟得到：（1）采用三電極體系在ITO玻璃上電化學(xué)沉積鎳原子層：工作電極為ITO玻璃，輔助電極為Ni，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為硫酸鎳水溶液；（2）步驟（1）沉積鎳原子層后的ITO玻璃在空氣氣氛下于350～380℃處理60～90min，冷卻，超聲處理，得到具有玫瑰花狀形貌的所述納米氧化鎳。與現(xiàn)有以納米氧化鎳作為氣敏材料的氣敏傳感器相比，本發(fā)明的氣敏傳感器可顯著提高對氣體的檢測靈敏度，特別是濃度低至20ppm以下的靈敏度。
【IPC分類】G01N27/00
【公開號】CN104897727
【申請?zhí)枴緾N201510264982
【發(fā)明人】李海蓉, 員朝鑫, 謝龍珍, 張勇, 向東旭, 鄧恒, 王芳, 孫永哲, 常芳芝, 劉智多, 楊佳明
【申請人】蘭州大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年5月22日