[发明专利]铝、钛共掺杂氧化锌基丙酮气体传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种气体传感器的制备方法，特别涉及一种溶胶-凝胶法制备铝钛共掺杂氧化锌基丙酮气体传感器的方法。

背景技术

当今国际大力发展物联网技术，物联网俨然已成为研究的热点，而传感器作为物联网关键技术之一，作为物联网“金字塔”的塔座，构成物联网的基础单元，在物联网信息采集层面发挥着无法替代的作用，是整个链条需求总量最大和最基础的环节。

气体传感器是传感器的一个重要分支，在保障人类生命财产安全上具有重大意义。其中，尤以灵敏度高、响应快、结构简单、价格低廉的金属氧化物半导体气体传感器倍受关注，而ZnO由于其材料丰富，价格低廉，易于制备，物理、化学性质稳定等特点，在半导体气体传感器中的应用十分广泛，成为近年来的研究热点。

丙酮是一种重要的工业原料，应用十分广泛。然而丙酮易燃、有毒，且近年来研究发现，对人体呼出气体中丙酮的检测，可用于糖尿病的早期诊断。虽然目前一些市售的气体传感器也可以用于检测丙酮，但是大部分检测灵敏度和选择性较低，不能满足各方面的需求。且普遍需要较高的工作温度，大于300℃，这不仅增大元件功耗，而且影响元件的稳定性和使用寿命。因此开发灵敏度高、稳定性好、工作温度低的单选择性丙酮气体传感器具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明针对目前ZnO基气体传感器存在的问题与不足，提出了一种基于Al、Ti共掺杂ZnO厚膜的丙酮气体传感器，通过改变材料的结构与组分，制得了一种对丙酮具有很好的选择性，且在较低的工作温度下就能实现对微量丙酮的有效检测的传感器。

本发明提供了一种Al、Ti共掺杂ZnO基丙酮气体传感器的制备方法，具体步骤如下：

1.将无水乙醇与去离子水按体积比1∶1-1∶2混合，作为溶剂；按Al、Zn摩尔比1∶11-1∶15，将醋酸锌Zn(CH₃COO)₂·2H₂O和硝酸铝Al(NO₃)₃·9H₂O溶解，按与Zn的摩尔比1∶4-1∶5加入十六烷基三甲基溴化铵，简称CTAB，Zn²⁺的浓度为0.8-1mol/L；另外将NaOH按与Zn的摩尔比2∶1溶解与溶剂中制备氢氧化钠溶液；将氢氧化钠溶液滴加至醋酸锌溶液中，并搅拌，滴加速度为0.1-0.5ml/min，搅拌速度为90-120r/min，待其PH值达到7时，停止滴加，继续搅拌0.5-1小时，得到Al掺杂的Zn(OH)₂胶体；

2.将无水乙醇与冰醋酸按照体积比10∶1-5∶1混合，然后将钛酸丁酯加入到无水乙醇与冰醋酸混合溶液中，加入的钛酸丁酯的体积与无水乙醇与冰醋酸混合溶液的体积的比值为1∶5-1∶6；

将去离子水和无水乙醇按照体积比为2∶3-2∶4混合；

将去离子水和无水乙醇混合溶液逐滴滴入钛酸丁酯、无水乙醇与冰醋酸的混合溶液中，并持续搅拌2小时，形成稳定的Ti(OH)₄溶胶；其中去离子水和无水乙醇混合溶液的体积与钛酸丁酯、无水乙醇与冰醋酸的混合溶液的体积比值为4∶6-4∶5；

3.将上述两种胶体置于通风橱中，室温下静置陈化12-24小时，然后在100-120℃下烘干2-3小时后得到干凝胶。将干凝胶充分研磨，用去离子水清洗1-3次，过滤掉可溶性杂质，分别得到Al掺杂的Zn(OH)₂粉末和Ti(OH)₄粉末。

4.将上述粉末烘干并研磨，取定量两种材料按Al、Ti摩尔比1∶1-1∶3混合，在500-900℃下退火2-3小时，自然冷却后得到Al、Ti共掺杂ZnO粉体；

5.取粉体材料与十六烷基三甲基溴化铵按质量比3∶1-5∶1混合，用去离子水稀释，涂敷在陶瓷管上，在250-300℃下低温退火20-30分钟，制得旁热式气敏元件。

6.应用TS-60型老化台，将元件在温度65-80℃，相对湿度30％-70％RH下老化5-7天后，利用HW-30A型气敏测试系统，根据气敏元件在接触被测气体前后电阻值的变化来测试其气敏特性，灵敏度定义为S＝R_a/R_g，其中R_a为元件在空气中的电阻值，R_g为元件在被测气体中的电阻值。

本发明的有益效果在于：