[发明专利]一种基于二氧化钛纳米管阵列的室温甲醛气体传感器

说明书

技术领域

本发明属于电子气敏器件技术领域，涉及到一种基于二氧化钛纳米管阵列的室温甲醛气体传感器。

背景技术

甲醛是一种对身体健康有着很大危害的有机挥发物，因此开发出价格低廉的便携式甲醛气体传感器一直是传感器领域的需求。常规的基于金属氧化物半导体敏感材料如SnO₂，WO₃，LaFe_1-xZn_xO₃，NiO，CdO-In₂O₃and ZnO的甲醛传感器表现出良好的感应性能。但是传感器的工作温度要求在200℃以上，大大增加对功耗的需求，对传感器的便携使用极为不利。二氧化钛纳米管由于其具有高比表面积、高深宽比和尺寸依赖效应等特性，近年来越来越受到人们的关注。在气体传感器应用方面，人们已经研究基于二氧化钛纳米管对氢气，低含量氧气以及湿度的感应性能。针对常规金属氧化物半导体甲醛传感器功耗高的问题，本发明利用二氧化钛纳米管的优异的物理化学性能性能，开发了在室温下工作的甲醛传感器，该传感器对能耗要求低，对常见的空气中的干扰气体比如乙醇和氨气有着良好的选择性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二氧化钛纳米管阵列的室温甲醛气体传感器。要解决的技术问题是利用具有高比表面积的二氧化钛纳米管阵列，实现在室温下及在其他两种干扰气体中检测微量甲醛含量。

本发明的技术方案是首先制备以二氧化钛纳米管阵列为敏感元素的甲醛传感器，利用电化学阳极氧化的方法在金属钛基板上生长二氧化钛纳米管阵列。然后，在制备的二氧化钛纳米管阵列上，利用丝网印刷的方法制作两条平行并列的金属电极，作为传感器的两个电极，获得最终的甲醛传感器。传感器的工作温度在15-30℃范围内，工作环境的相对湿度范围为30-90％。传感器信号是测定二氧化钛纳米管阵列的电阻值在空气和以空气为背景的甲醛气体氛围下的变化。

本发明的效果和益处是，利用具有高比表面积的二氧化钛纳米管阵列，实现了在室温下及在其他两种干扰气体中检测微量甲醛含量，大大降低了传感器使用过程中的功耗，提高了传感器使用的便携性。

附图说明

附图1是甲醛传感器在室温下对不同浓度的甲醛随时间的电阻响应变化。

图中：1是传感器在空气气氛下的响应电阻变化；2是传感器在背景为空气，甲醛浓为10ppm的气氛下的响应电阻变化；3是传感器在背景为空气，甲醛浓度为20ppm的气氛下的响应电阻变化；4是传感器在背景为空气，甲醛浓度为30ppm的气氛下的响应电阻变化；5是传感器在背景为空气，甲醛浓度为40ppm的气氛下的响应电阻变化；6是传感器在背景为空气，甲醛浓度为50ppm的气氛下的响应电阻变化。

附图2是传感器在室温下对不同浓度的甲醛的感应性能曲线图。

附图3是传感器在室温下对甲醛及两种干扰气体乙醇和氨气的感应信号的对比图。

图中：1是1000ppm乙醇；2是50ppm的甲醛；3是50ppm氨气。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

电化学阳极氧化的方法在金属钛基板上生长二氧化钛纳米管阵列。实验准备纯度为99.4％的工业纯钛钛金属基板，使用磨料将其制成金属镜面材料。然后进行抛光处理，用丙酮使其脱脂、用无水乙醇进行超声破碎清洗、用去离子水清洗，每次10min，去除油脂，在室温空气中吹干以备后来实验中用。在阳极氧化实验前，钛表面要经过氢氧化钠混合溶液(0.06摩尔/L)和过氧化氢(15wt％)的化学处理。阳极氧化实验在一个圆柱形的电化学反应器中进行，采用两电极体系，电源为恒压直流电源，钛片为阳极，不锈钢片为阴极，保持两电极间距离3cm。室温下，钛板在含0.5wt％的氟化钠，0.2mol/L的Na₂SO₄和一定数量的甘油电解液中，控制实验参数：在30V恒压下，进行3小时的电化学阳极氧化。经过阳极氧化，二氧化钛纳米管在不同温度下退火(400，500和600℃)2小时为表征形态。然后先用无水乙醇浸泡，再用大量去离子水冲洗样品，干燥待用。

制备传感器。利用丝网印刷的方法在二氧化钛纳米管阵列表面印上两条平行的间隔为2-3毫米银浆线，然后在150℃下热处理1个小时，获得最终的甲醛传感器。

传感器的测试。将所制备传感器置于一流动空气气氛下，湿度在30-90％之间，传感器元件的工作温度范围在15-30℃之间，然后引入不同浓度的甲醛气体分子，或者1000ppm的乙醇及50ppm的氨气这两种干扰气体分子。通过利用数字万用表测量传感器在空气和在以空气为背景的不同浓度的甲醛氛围下的电阻值的变化，作为传感器的信号。附图1给出了在室温下甲醛传感器对不同浓度的甲醛随时间的电阻响应变化，传感器的响应时间为3-4分钟；附图2给出了甲醛传感器在室温下对不同浓度的甲醛的感应性能曲线图。传感器的灵敏度为0.8/ppm；附图3给出了传感器在室温下对甲醛及两种干扰气体乙醇和氨气的感应信号的对比图。所开发的传感器在室温下表现出良好的甲醛感应性能及对乙醇和氨气的选择性能。