[发明专利]一种氧化钨纳米线气体传感器的响应类型控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钨纳米线气体传感器的制备方法，特别是涉及一种氧化钨纳米线气体传感器的响应类型控制方法。

背景技术

随着工业化和经济水平的不断提高，环境中排放的各种各样的气体越来越多，特别是石化、煤炭等行业，对大气造成了严重污染。这些气体中，许多是易燃、易爆(例如氢气、煤矿瓦斯、天燃气、液化石油气等)或者对于人体有毒害的(例如一氧化碳、氟利昂、氨气等)，如果这些气体在空气中大量存在，轻者会污染环境、影响生态平衡，重者会发生爆炸、中毒、火灾等重大事故，影响我们的人身安全。因此对这些气体的准确、快速、可靠检测显得十分重要。

由于气敏传感器直接暴露在各种成份的气体中，而且实际情况中会有待测环境中温度、湿度的影响，还会有一些粉尘、颗粒等污染物附着在气敏传感器的表面，因此气敏传感器的工作条件十分复杂。随着使用时间的增加，甚至会和一些空气中的杂质发生化学反应，从而使气敏传感器的性能退化甚至失效。这样就要求商品化的气敏传感器必须满足以下要求：稳定性好、重复性高、响应速度快、共存物质产生的影响小等。实际应用中，用半导体式气敏传感器主要用于工业上一些易燃、易爆、有毒等有害气体和生活中用到的煤气、天燃气等气体的检测，以及报警、自动控制等领域的应用。氧化钨(WO₃)作为一种半导体材料在NO₂气体检测中有良好的性能，但是也存在一些缺点，比如，工作温度高200℃以上，限制了WO₃材料在特殊领域的进一步应用，此外传统薄膜结构WO₃的灵敏度底，无法充分发挥其敏感性能。

对于金属氧化物而言，气体探测的第一步是气体吸附在传感器表面，主要分为物理吸、脱附和化学吸、脱附。物理吸、脱附模型是利用气体与材料的物理吸、脱附进行检测的。化学吸、脱附模型是利用气体在气敏材料上的化学吸、脱附进行检测的。其气敏机理主要分为表面电阻控制机理。气体传感器的基本原理就是利用气体改变材料的电阻，来检测气体的。对于金属氧化物半导体而言，N-type半导体主要载流子为电子，当电子浓度发生变化时，材料的电阻就会发生变化。当氧化物气敏材料暴露在空气中时，由于空气中的氧气具有一定的氧化性，使得其容易吸附在材料表面，并俘获电子，此时材料电阻表现为空气中电阻R(air)。当通入氧化性气体NO₂等时，材料中自由电子进一步被强氧化性气体捕获，造成电阻的进一步下降形成响应电阻R(gas)，因此针对N-type金属氧化物半导体，测试氧化性气体时电阻应该是上升的趋势，即R(gas)>R(air)。而P-type金属氧化物半导体在测试氧化性气体时，由于其主要载流子为空穴，在氧化性气体俘获电子后造成空穴浓度的增加，也就是主要载流子的增加，因此响应电阻R(gas)<R(air)。通过以上的基本结论，在气体测试过程中，一般的认为电阻下降那么材料就是P-型半导体材料，也称为P-type响应类型；电阻上升认为是N-型半导体材料，也成为N-type响应类型。与此同时，当人们在不断的对新的材料进行测试过程中，发现WO₃在不同的温度下对NO₂气体表现出不同的电阻变化方向，氧化钨存在着本身是N-type半导体却表现为P-type半导体响应类型的现象，但是对于这一现象的影响因素了解甚少。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种氧化钨纳米线气体传感器的响应类型控制方法，克服现有技术中WO₃纳米线气体传感器的导电类型的影响因素不清楚、传感器的灵敏度低和工作温度高的问题。

本发明的技术方案是：一种氧化钨纳米线气体传感器的响应类型控制方法，包括如下步骤：

(1)二氧化硅基片的清洗：

将二氧化硅基片依次放入浓硫酸和双氧水混合溶液、盐酸和双氧水混合溶液、丙酮、无水乙醇中分别超声清洗，洗净后将二氧化硅基片放入无水乙醇中备用；

(2)制备钨薄膜：

将步骤(1)所得二氧化硅基片置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，调节至所需本体真空度、基片温度、氩气流量、溅射气压以及溅射功率，并将溅射时间控制在10min，在表面沉积厚度为150纳米左右的钨薄膜；

(3)制备WO₂纳米线：

将步骤(2)镀钨膜后的二氧化硅基片置于管式炉中，调节至所需的本体压强、氩氧流量比、升温速率、退火温度，并将保持时间设置在1.5h，在二氧化硅基体上生长氧化钨纳米线；