一種基于α?Fe₂O₃多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于α?Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法，屬于半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明結(jié)合了溶劑熱法和煅燒法的新穎制備手段制備了α?Fe2O3多孔微米花敏感材料。利用α?Fe2O3多孔微米花的疏松多孔、分散性良好、基本單元尺寸較小等特點(diǎn)，有效監(jiān)測(cè)丙酮?dú)怏w。此外，本發(fā)明所采用的傳感器結(jié)構(gòu)是由市售的帶有2個(gè)環(huán)形金電極的Al2O3絕緣陶瓷管、涂敷在環(huán)形金電極和Al2O3絕緣陶瓷管上的半導(dǎo)體敏感材料、以及穿過(guò)Al2O3絕緣陶瓷管的鎳鉻合金加熱線(xiàn)圈組成。器件工藝簡(jiǎn)單，體積小，適于大批量生產(chǎn)，因而在檢測(cè)微環(huán)境中丙酮含量方面有廣闊的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于a-Fe203多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]丙酮又名二甲基酮，是一種無(wú)色、透明、活潑、易燃、易揮發(fā)并有辛辣氣味的液體。在工業(yè)上不僅可以作為生產(chǎn)炸藥、塑料、橡膠的重要溶劑，還是用作合成烯酮、碘仿、環(huán)氧樹(shù)脂等物質(zhì)的重要原料。然而，類(lèi)似于其他有機(jī)溶劑，它具有易燃、易揮發(fā)的特點(diǎn)，遇明火、高熱極易燃燒爆炸，其爆炸極限為2.55%?12.8%。并且，丙酮不僅具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，在低濃度時(shí)還對(duì)人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有麻醉作用，使人體的神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、腎臟、胰腺等器官受損，在高濃度時(shí)甚至?xí)?dǎo)致人昏迷和死亡。因此，對(duì)于丙酮?dú)怏w的檢測(cè)具有十分重要的意義。
[0003]在種類(lèi)眾多的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體氧化物為敏感材料的電阻型氣體傳感器具有靈敏度高、檢測(cè)下限低、選擇性好、響應(yīng)和恢復(fù)速度快、制作方法簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的氣體傳感器之一。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將氣敏材料調(diào)控成納米結(jié)構(gòu)能夠極大地提高材料的比表面積，增加活性位點(diǎn)，可以使氣敏特性得到改善。
[0004]Ct-Fe2O3是一種寬禁帶的η型半導(dǎo)體材料，由于其無(wú)毒，資源豐富等被廣泛應(yīng)用在氣體傳感方面。然而，盡管許多不同形貌、不同尺寸的Ct-Fe2O3材料被研制出來(lái)，但大多數(shù)α-Fe2O3在檢測(cè)VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)氣體時(shí)，都表現(xiàn)出了較低的靈敏度和較高的檢測(cè)溫度。另外，由于它們的制作方法較為苛刻，所以利用簡(jiǎn)單方法制備分等級(jí)C1-Fe2O3氣敏材料，通過(guò)調(diào)控其尺寸及形貌特點(diǎn)，從而提升其氣敏性能至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法。
[0006]利用Ct-Fe2O3多孔微米花作為敏感材料，一方面Ct-Fe2O3作為典型的半導(dǎo)體氣敏材料，具有無(wú)毒、資源豐富等特點(diǎn)被廣泛研究；另一方面Ct-Fe2O3的分等級(jí)結(jié)構(gòu)具有比表面積大，疏松多孔等特點(diǎn)，能夠大幅提高氣體與敏感材料的反應(yīng)效率，進(jìn)而提高了傳感器的靈敏度。此外，組成a-Fe203多孔微米花的基本單元為小尺寸、10?20nm的a-Fe203納米顆粒，納米顆粒所獨(dú)有的活性能夠降低反應(yīng)所需能量，從而可以降低器件的工作溫度。同時(shí)，納米顆粒間存在的堆積孔有利于氣體的傳輸擴(kuò)散，能夠有效減少響應(yīng)時(shí)間。本發(fā)明所采用的市售的管式結(jié)構(gòu)傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，體積小，利于工業(yè)上批量生產(chǎn)，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0007]本發(fā)明所述的基于Q-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器，由外表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的Al2O3陶瓷管襯底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金電極上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管內(nèi)的鎳鎘加熱線(xiàn)圈組成；其特征在于:敏感材料為a-Fe2O3多孔微米花，且由如下步驟制備得到，
[0008]①首先將0.10?0.188的？62(504)3.xH20(x^7?9)溶于20?40mL的無(wú)水乙醇中，并在40?60 0C水浴下保持?jǐn)嚢柚敝寥芤壕唬?br>[0009]②將上述混合溶液在130?160°C下水熱反應(yīng)20?26小時(shí)，冷卻至室溫后將生成的沉淀用乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在600?700 °C下煅燒2?4小時(shí)，從而得至Ija-Fe2O3多孔微米花粉末。
[0010]本發(fā)明所述的一種基于a-Fe203多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，其步驟如下:
[0011]①將Ct-Fe2O3多孔微米花粉末與去離子水按質(zhì)量比3?5:1混合，研磨形成糊狀漿料，然后蘸取少量漿料均勻地涂覆在市售的外表面自帶有2個(gè)環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極，形成10?30μπι厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的長(zhǎng)為4?4.5mm，外徑為1.2?1.5mm,內(nèi)徑為0.8?1.0mm；
[0012]②在紅外燈下烘烤30?45分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400?450°C下煅燒2?3小時(shí);然后將電阻值為30?40 Ω的鎳鎘加熱線(xiàn)圈穿過(guò)Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進(jìn)行焊接和封裝，從而得到C1-Fe2O3氧化物半導(dǎo)體丙酮傳感器。
[0013]本發(fā)明制備的基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014]1.制備方法簡(jiǎn)單，無(wú)需添加表面活性劑及特殊溶劑，制備條件相對(duì)溫和。
[0015]2.制備的材料分散性好，疏松多孔;具有良好的重復(fù)性。對(duì)丙酮的靈敏度好，且材料的最佳工作溫度較低，同時(shí)響應(yīng)速度較快。在檢測(cè)丙酮含量方面有廣闊的應(yīng)用前景；
[0016]3.采用市售管式傳感器，器件工藝簡(jiǎn)單，體積小，適于大批量生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1:a-Fe203多孔微米花SEM形貌圖，其中(a)圖的放大倍數(shù)為1000倍，(b)圖為單一微米花的形貌，放大倍數(shù)為2000倍；
[0018]圖2 = Q-Fe2O3多孔微米花的XRD圖；
[0019]圖3:基于C1-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4:實(shí)施例1傳感器在不同工作溫度下對(duì)10ppm丙酮?dú)怏w的靈敏度曲線(xiàn)；
[0021 ]圖5:實(shí)施例1傳感器在210 °C下對(duì)10ppm丙酮?dú)怏w的響應(yīng)恢復(fù)曲線(xiàn)；
[0022 ]圖6:實(shí)施例1傳感器在210 °C下的靈敏度-丙酮濃度特性曲線(xiàn)。
[0023]如圖1所示，(a)圖中可以看出Ct-Fe2O3分等級(jí)結(jié)構(gòu)為花狀納米結(jié)構(gòu)，分散性良好；(b)圖中看出a-Fe203多孔微米花是由10?20nm左右的納米顆粒構(gòu)成，微米花的直徑約為2μm；
[0024]如圖2所示，Q-Fe2O3多孔微米花為純相Ct-Fe2O3結(jié)構(gòu)；對(duì)應(yīng)XRD譜圖JCPDS號(hào)為33-0664.
[0025]如圖3所示，器件由Al2O3陶瓷管I，半導(dǎo)體敏感材料2，鎳鎘合金線(xiàn)圈3，環(huán)形金電極4和鉑線(xiàn)5組成；
[0026]如圖4所示，實(shí)施例的最佳工作溫度分別為210°C，此時(shí)器件對(duì)10ppm丙酮的靈敏度為14.5;
[0027]如圖5所示，當(dāng)器件工作在最佳工作溫度210°C、丙酮?dú)怏w濃度為10ppm下，實(shí)施例均具有良好的重復(fù)性;其相應(yīng)速度較快，Is左右即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0028]如圖6所示，當(dāng)實(shí)施例器件在工作溫度為210°C下，器件的靈敏度隨著丙酮濃度的增加而增大，實(shí)施例對(duì)10、20、40、60、80、100和200??111丙酮的靈敏度分別為3.5、5.2、8.5、10.2、12.0、14.5和19.4，其檢測(cè)下限可達(dá)到1??111，對(duì)應(yīng)的靈敏度值為1.44.
[0029]注:器件的靈敏度(η型半導(dǎo)體)在測(cè)試還原性氣體中被定義為其在空氣中電阻值與在被測(cè)氣體中電阻值大小之比，即為S = Ra/Rg。在測(cè)試過(guò)程中，使用靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將器件置于50?80L的氣箱內(nèi)，向內(nèi)注射一定量的待測(cè)有機(jī)氣體，觀察并記錄其阻值變化，通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)的靈敏度數(shù)值。
【具體實(shí)施方式】
:
[0030]實(shí)施例:
[0031]用Ct-Fe2O3多孔微米花作為敏感材料制作丙酮傳感器，其具體的制作過(guò)程:
[0032]1.首先將0.12g的Fe2(SO4)3.χΗ20溶于30mL的無(wú)水乙醇當(dāng)中，并在50°C水浴下保持不斷地?cái)嚢柚敝寥芤壕唬?br>[0033]2.將上述混合溶液在150°C下水熱反應(yīng)24小時(shí)，冷卻至室溫后將生成的沉淀用乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在650 0C下煅燒2小時(shí)，從而得到Q-Fe2O3多孔微米花粉末。其質(zhì)量約為30mg，比表面積為22111?-1;
[0034]3.將得到的C1-Fe2O3多孔微米花敏感材料粉末與去離子水按質(zhì)量比5:1混合，并研磨形成糊狀漿料，然后用筆刷蘸取少量漿料均勻地涂覆在市售的外表面自帶有2個(gè)環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，形成30μπι厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的長(zhǎng)為4mm，外徑為1.2mm，內(nèi)徑為0.8mm，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極；
[0035]4.在紅外燈下烘烤3分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400°C下煅燒2小時(shí);然后將電阻值為30 Ω的鎳鎘合金線(xiàn)圈穿過(guò)Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進(jìn)行焊接和封裝，從而得到Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器，由外表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的Al2O3陶瓷管襯底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金電極上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管內(nèi)的鎳鎘加熱線(xiàn)圈組成;其特征在于:敏感材料為Ct-Fe2O3多孔微米花，且由如下步驟制備得到， ①首先將0.10?0.188的？62(504)3.XH2O溶于20?40mL的無(wú)水乙醇中，并在40?60°C水浴下保持?jǐn)嚢柚敝寥芤壕唬? ②將上述混合溶液在130?160°C下水熱反應(yīng)20?26小時(shí)，冷卻至室溫后將生成的沉淀用乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在600?700°C下煅燒2?4小時(shí)，從而得到α-Fe2O3多孔微米花粉末。2.權(quán)利要求1所述的一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，其步驟如下: ①將Ct-Fe2O3多孔微米花粉末與去離子水按質(zhì)量比3?5:1混合，研磨形成糊狀漿料，然后蘸取少量漿料均勻地涂覆在外表面自帶有2個(gè)環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極，形成1?30μηι厚的敏感材料薄膜； ②在紅外燈下烘烤30?45分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400?450°C下煅燒2?3小時(shí);然后將電阻值為30?40 Ω的鎳鎘加熱線(xiàn)圈穿過(guò)Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進(jìn)行焊接和封裝，從而得到基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N27/12GK106093137SQ201610439141
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】盧革宇, 劉暢, 孫鵬, 孫彥峰, 劉鳳敏, 馬健, 劉方猛
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)