[发明专利]一种高性能气体传感器

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种高性能气体传感器，包括传感器的敏感材料的制备、传感器结构的设计和制备、传感器的测量与表征。 

背景技术

随生活水平的提高，人们开始对环境污染、煤气泄漏、瓦斯爆炸等采取防范措施。这就需要性能可靠的气体传感器。丙酮、乙醇、甲醇、氨气等都是生产车间中较为常见的有毒气体，如果制备的气体传感器能在这些生厂车间中广泛应用，那将为工人们的安全带来极大的保障。此外，由于传感器针对特定气体具有较高的灵敏度和选择性，还可以将传感器人为设定成准确性较高的检测特定气体的传感器。 

如今的交通事故多数都是由酒后驾车导致，国家法律和相关部门已经严格管制酒后驾车，但是这种现象仍然屡禁不止。加强驾车人员的酒精检测，可避免酒后驾车导致的安全事故。目前酒精检测仪主要依靠进口。这些进口传感器的制备过程复杂，其价格昂贵，难以大规模推广应用。本发明专利就是要解决目前国内传感器的灵敏度不高、时间响应慢、稳定性差、寿命短以及制备成本高等问题，为传感器的广泛应用提供保障。 

气敏传感器的性能主要由活性材料的表面效应决定，为提高传感器的灵敏度，采用具有大比表面积的纳米材料制备气敏传感器。增大敏感材料的比表面积，就可以使更多的气体分子吸附在材料表面，增加材料表面的耗尽层。零维的纳米材料具有严重的团聚现象，而一维敏感纳米材料制备的传感器敏感膜呈网状结构，避免了传感器制备和工作中的材料团聚问题，因而所制备的传感器具有稳定性好、寿命长、时间响应快等优点。本专利介绍一维敏感纳米材料的制备方法，并利用一位材料制备传感器。一维敏感纳米材料的制备方法中，主要有热蒸发法(高温)、水热法(高温高压)或高压电纺(高电压)等复杂的方法，而常温常压的低能耗方法制备一维敏感纳米材料的工作还未见报道。利用表面活性剂选择性地吸附特性，实现常温常压条件下一维敏感纳米材料的制备。本发明专利将建立常温常压下制备一维敏感纳米材料的方法，为高性能传感器的低成本制 备提供保障。通过对ZnO一维敏感纳米材料掺杂等方法，进一步提高传感器灵敏度、选择性和响应速度。稀土氧化物具有较好的氧分解催化能力，吸附在材料表面的氧分子可以快速分散并获取纳米表面的电子，转化为氧离子。这个过程不仅提高了吸附在材料表面氧分子的数量，还提高氧分子-氧离子的转化速度，从而加快材料表面的电子耗尽，也增加量耗尽层的厚度，降低载流子的浓度。因此，通过掺杂稀土氧化镧可进一步提高酒精探测的灵敏度和选择性。 

发明内容

本专利的敏感材料的制备在常温常压下进行，主要通过调控化学平衡方法，具体化学反应如下： 

醋酸锌里面含有Zn2+离子，可以溶解在强碱性溶液中。在大量氢氧根存在的条件下，可以生成Zn(OH)42-，，如方程式(1)。物质Zn(OH)42-在中性溶液具有较高的化学能，不稳定，会自发反应，生成低能量、稳定的Zn(OH)2。加入无水乙醇，提供H+，使H+与过量OH-发生中和反应，溶液由碱性变成中性，同时化学方程式向右移，生成Zn(OH)2，如方程式(2). 

采用敏感材料涂敷方法，制备不同结构的气体传感器，包括旁路式气体传感器和平面式气体传感器等。 

采用掺杂方法进一步提高传感器的灵敏度、时间响应及选择性。在一维纳米材料的基础上掺杂微量的稀土氧化物作为活性材料的催化剂，可望大幅改善气敏传感器的性能，使其完全满足实际的应用要求。 

控制敏感材料的微结构和形貌，提高传感器的稳定性和寿命。利用表面活性剂可以选择性地吸附在材料的侧面，延缓了材料在侧面这个方向上的生长，控制了材料只沿一个方向生长，从而在常温常压条件下制备出一维敏感纳米材料。 

本发明专利建立的常温常压下制备一维敏感纳米材料的方法和高性能传感器的低成本制备方法的主要创新在于：1)敏感材料为准一维结构，传感器响应快、灵敏度高、 性能稳定、寿命长；2)常温常压等简单工艺制备准一维纳米材料，设备简单，操作简单，成本低；3)准一维纳米材料掺杂，进一步提高传感器性能；为传感器生产企业提供降低成本的一种方法，推动相关企业的传感创新研究，为企业提供开展低成本、高性能传感器研发与生产的后劲。