[发明专利]多层分级纳米结构有序孔薄膜型气敏传感器及其制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种气敏传感器及制法，尤其是一种多层分级纳 米结构有序孔薄膜型气敏传感器及其制备方法。

背景技术  随着科学技术的迅速发展，对大气污染、化学工业等领域的 监控以及对人居环境、食品质量的检测已成为人们日益关注的问题。近年来， 气敏传感器作为众多的探测元件之一，因其体积小、灵敏度高、检测方便而 备受人们的青睐。到目前为止，人们制备了各种各样的气敏传感器，除了传 统的厚膜型，及基于半导体块体材料的薄膜型传感器外，形形色色的纳米结 构传感器也被不断地研发出来，如在2005年6月29日公开的中国发明专利 申请公开说明书CN 1632557A中披露的一种“多壁碳纳米管薄膜气敏传感器”。 它意欲提供一种以多壁碳纳米管薄膜为气敏层的薄膜型气敏传感器，来检测 易燃易爆的苯系气体分子的存在及其浓度。该薄膜气敏传感器的构成为底板 上依次覆有绝缘层、电极和气敏层，其中的气敏层为具有巯基修饰的多壁碳 纳米管薄膜。但是，这种薄膜气敏传感器存在着不足之处，首先，普适性差， 仅能用于检测苯系气体分子，而不能探测其它气体分子，制约了应用的范围； 其次，构成气敏层之一的多壁碳纳米管，因其长度和管径的分布受其制备方 法和制作传感器时须历经的过滤工序的制约而趋于一致，加之气体传感器具 有的高灵敏度对应着长响应时间，反之亦然的特性，使得传感器的灵敏度和 响应时间均是对应确定的，不能再对其进行优化，无法将其用于既需高的灵 敏度、又需短的响应时间的应用场合，而这种应用场合却是广泛存在和十分 需要的；再次，多壁碳纳米管经巯基修饰后，虽提高了薄膜与电极间的结合 力，以及提升了传感器的响应时间和灵敏度，然而，却也因修饰物本身也会 吸附一些空气中的气体，从而增加传感器的电阻，影响传感器的使用寿命； 最后，多壁碳纳米管是经旋涂工艺附着于修饰物己巯醇膜上的，因旋涂的厚 度难以保持一致，故产成品质量的差异较大，造成了传感器性能和质量的不 稳定。

发明内容  本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提 供一种普适性好，灵敏度高、响应速度快，制作简便的多层分级纳米结构有 序孔薄膜型气敏传感器。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种多层分级纳米结构有序孔薄 膜型气敏传感器的制备方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：多层分级纳米结构有 序孔薄膜型气敏传感器包括衬底和电极，以及覆于其上的气敏薄膜，特别是 所说气敏薄膜由两层以上的、呈紧密的六方排列并相互连通的球形孔状的半 导体氧化物构成，所说球形孔的孔径为100～5000nm，其于层间为大小相间 结构，层间的孔径大小比为1.5～10∶1，所说气敏薄膜的厚度为200nm～10 μm。

作为多层分级纳米结构有序孔薄膜型气敏传感器的进一步改进，所述的 球形孔的孔径于层间为大小相间的双周期结构；所述的球形孔为两层，其下 层为大孔；所述的半导体氧化物为三氧化二铟或二氧化锡或氧化锌或三氧化 二铁；所述的衬底为玻璃或陶瓷或单晶硅或云母或石英，衬底的形状为凸面 状或凹面状或球面状或平面状。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：多层分 级纳米结构有序孔薄膜型气敏传感器的制备方法包括将球径为100～5000nm 的胶体球附于基底表面形成单层胶体晶体模板，特别是它是按以下步骤完成 的：(a)先将不同球径的单层胶体晶体模板浸入浓度为0.05～0.2M的半导 体氧化物前驱体溶液中，待其脱离基底并漂浮在前驱体溶液的表面后，用所 需形状的带有电极的衬底捞起单层胶体晶体中的之一，并使其覆盖于衬底表 面，再将覆有单层胶体晶体并浸有前驱体溶液的衬底置于80～120℃下加热 1～4h，接着，先将覆有单层胶体晶体并固化有前驱体的衬底作为一个新的衬 底在同种溶液中捞起另一单层胶体晶体，并使其覆盖于新衬底表面，再将覆 有双层胶体晶体并固化有前驱体和浸有前驱体溶液的衬底置于80～120℃下 加热1～4h；(b)重复上述的捞起新的单层胶体晶体并加热固化的步骤0次 以上后，将其置于350～550℃下退火1～4h，制得多层分级纳米结构有序孔 薄膜型气敏传感器。