[发明专利]纳米纤维和粒子粘附层的双敏感层气体传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，特别是涉及一种由纳米纤维和粒子粘附层组成的双敏感层结构的气体传感器及制备方法。

背景技术

气体传感器是应用较广、用量较大的一类传感器，在产品质量管理、环境监测监控、植物栽培、家用电器、医药制造等领域都起着重要的作用，在气象、轻纺、农林、建筑、空调、国防、科研等领域占有重要地位。通常，气体传感器在性能方面追求的是：灵敏度高，检测精度高；响应恢复快，探测时间短；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低等。在气体传感器的发展过程中，基于金属氧化物气敏材料的化学传感器由于其在体积、成本上的优势，逐渐为人们所重视。迄今，基于氧化物的传感器已成为民用气体传感器中需求量最大、应用面最广的一类气体传感器。

传统的金属氧化物气敏材料多为粒子材料，通常采用溶胶凝胶等方法合成，这些合成过程简单方便且易于掺杂，所获得的材料产量大、均匀性好，但是容易团聚，对气体的吸附能力有限，且敏感膜的结构无法精确控制，对气体吸附和脱附的时间都较长。这些不足导致目前基于金属氧化物的化学类气体传感器的性能无法与红外传感器这些物理类气体传感器相比拟。

近年，随着材料科学的发展，人们发现一维纳米材料能够有效地防止材料之间的团聚，且具有比表面积大、长径比高、易于形成网状结构、信号有向传导等特性，从而制作的气体传感器灵敏度极高，响应恢复速度迅速。通过静电纺丝法合成的纳米纤维是一种典型的一维纳米材料，这类纤维的长度可达数十毫米，而直径仅为几十到几百纳米，且纤维易于掺杂、方向位置可控、产率高、合成过程可以与半导体器件制作过程有效兼容，因此是目前研究最广，应用前景最好的一维纳米敏感材料之一。

纳米纤维在传感器制作过程中的一个障碍就是纳米纤维与信号电极之间粘附能力差，这是因为信号电极与衬底之间存在高度差，纤维与电极之间仅存在点与点之间的不稳定接触，同时纳米纤维在合成过程中的煅烧处理将会导致纤维收缩，这些因素导致纤维与电极之间接触能力降低，使得纤维表面与气体反应产生的电信号在传导至电极的过程中发生损耗。目前已报道的解决这一问题的途径是热压，即将纤维在一定高温下施压从而提高与电极之间的接触能力，但是这种方法将会破坏纤维形貌，使得纤维断裂因而降低敏感性能。

另一方面，纳米纤维在传感器衬底上会自然地形成网状结构，这种结构虽然有利于气体的吸附和脱附，但是网孔通常在几十平方微米至数平方毫米之间，从而衬底上不少区域都是没有被敏感材料覆盖的，这无疑是降低了传感器的有效面积。因此，一旦激活了这些被浪费的面积，传感器的性能将获得有效地提升。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种利用粒子粘附层来提高纳米纤维与信号电极之间的接触能力，并且增强传感器衬底的利用率，从而有效地提升传感器性能的方法。

本发明的主要优点是制作过程简单，仅需要一次磁控溅射；易于批量生产，可以一次性地在数百个传感器制作上沉积粒子材料层；且提升效果明显，制作粒子粘附层后，传感器在灵敏度和响应恢复方面都有显著地提升，因此本发明将有望促进纳米纤维在气体传感器方面的应用。

本发明所述的双敏感层气体传感器，其结构如图1所示，其特征在于：该器件从下至上依次由加热电极4、下绝缘层2、硅片1、上绝缘层3、信号电极5、粒子粘附层6、纳米纤维敏感层7、加热电极引线10和信号电极引线11组成。

一般地，硅片1为<100>晶向双面抛光硅片，厚度为0.2～2mm；下绝缘层2和上绝缘层3为SiO₂或者SiNx，厚度为50～500nm；加热电极4和信号电极5为Pt或者Au，厚度为10～200nm；粒子粘附层6与纳米纤维层敏感层7为同种金属氧化物气敏材料，如SnO₂、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃、In₂O₃及WO₃等，粒子粘附层6采用磁控溅射法沉积制备，粒子直径10～200nm，厚度50～200nm；纳米纤维敏感层7采用静电纺丝法制备，纤维直径50～200nm，长度1μm～10mm。