[发明专利]基于三维蛋白石结构SnO2-ZnO复合物纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于三维蛋白石结构SnO₂‑ZnO多孔空心微球复合物纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。开发的传感器为旁热式结构，主要组成部分为镍铬合金加热丝、氧化铝陶(Al₂O₃)瓷管、铂线、金电极和三维蛋白石结构SnO₂‑ZnO多孔空心微球复合物纳米敏感材料。本发明开发了一种对丙酮具有快速响应的高性能的气体传感器，测试结果表明，该传感器对100ppm丙酮的灵敏度高达45.8，检测下限可达到0.25ppm，且对相对湿度为98％的1.8ppm丙酮依然具有较高的灵敏度，具有良好的选择性和可重复性。因此可以得知，本发明所述传感器在丙酮呼气检测电子器件领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于三维蛋白石结构SnO₂-ZnO多孔空心微球复合物纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着生活水平的提高以及医疗技术的发展，人们对于早期疾病诊断越来越重视。其中，以气体传感器作为检测单元的呼气分析作为一种疾病早期诊断手段，由于其具有非侵入性、实惠、快速和简便等优点，在个人医疗保健监测领域占有主要地位。据报道，人体呼出气体中含有的挥发性有机化合物(VOCs)，如丙酮(CH₃COCH₃)可作为生物标志物用于糖尿病的诊断。例如，在糖尿病患者的呼出气中观察到高丙酮浓度超过百万分之1.8(ppm)，而健康人为0.3-0.9ppm。作为气体传感器一个重要分支的半导体式气体传感器，由于其具有价格低、全固态、体积小、可集成化等优点而逐渐进入了人们的视野中。为了通过呼吸分析准确诊断特定疾病，呼吸分析仪必须对目标呼吸生物标志物的痕量浓度敏感。低于ppm或甚至低于十亿分之一(ppb)，并且在非常潮湿(通常为98％相对湿度，RH％)的呼出气中对这些生物标志物具有选择性，仍需进一步提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性。

在半导体氧化物纳米材料微结构调控方面敏，一维、二维、三维结构的半导体氧化物纳米材料、以及具有特殊形貌的分等级结构半导体氧化物纳米材料都被作为敏感材料广泛用于提高半导体氧化物气体传感器的气敏特性。其中，由多个多孔空心纳米球组装而成的三维蛋白石结构多孔空心微球由于具有其特殊的三维多孔空心结构而受到广泛的关注，相比于其他结构的半导体氧化物纳米材料，其具有较大的比表面积，且具有连通性较好的三维多孔孔道结构，因而可以提供较多的活性位点，有利于半导体材料与气体分子充分接触，以及气体分子的扩散。

基于这种特殊的三维蛋白石结构，人们还发现通过引入另一种金属盐，来制备包含有两种半导体金属氧化物的复合材料，从而形成异质结，能够显著地改善传感器的灵敏度。这主要是因为异质结构提高了传感材料的载流子迁移率，从而提升了其“转换功能”，其次，在纳米尺度下，不同氧化物半导体传感材料的复合和组装可以形成局部的P-N接触或N-N接触、和不同组分间的协同效应，改善了传感材料的“识别功能”。

因此，开展具有特殊结构的半导体氧化物复合材料的设计和制备，并将其应用于开发高性能的丙酮气体传感器在呼气检测领域具有十分重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种基于三维蛋白石结构SnO₂-ZnO多孔空心微球复合物纳米敏感材料的丙酮气体传感器，并同时提供一种高效、简便的制备该传感器的方法。