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一种平面气敏传感元件及其制备方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2015-05-29
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2015-09-09
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2018-03-30
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2035-05-29
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201510284530.8 申请日 2015-05-29
公开/公告号 CN104833707B 公开/公告日 2018-03-30
授权日 2018-03-30 预估到期日 2035-05-29
申请年 2015年 公开/公告年 2018年
缴费截止日
分类号 G01N27/04 主分类号 G01N27/04
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 5
权利要求数量 6 非专利引证数量 1
引用专利数量 8 被引证专利数量 0
非专利引证 1、Haichuan Mu et al..High sensitiveformaldehyde graphene gas sensor modifiedby atomic layer deposition zinc oxidefilms《.APPLIED PHYSICS LETTERS》.2014,第105卷033107-1至033107-4. 郭礼森.石墨烯/氧化锌复合材料的制备及其场发射性能研究《.中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》.2013,(第8期),B020-59. 郭礼森.石墨烯/氧化锌复合材料的制备及其场发射性能研究《.中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》.2013,(第8期),B020-59. 彭超才 等.棒状氧化锌的“绿色”水热合成及其气敏性能《.电子元件与材料》.2008,第27卷(第12期),第27-29页.;
引用专利 CN101857222A、CN102288648A、CN102590309A、CN103060764A、CN103482683A、CN104569052A、CN102828156A、KR20150020334A 被引证专利
专利权维持 3 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 南京信息工程大学 当前专利权人 南京信息工程大学
发明人 邵绍峰、吴红艳、王世敏、洪琦棱、吴涛 第一发明人 邵绍峰
地址 江苏省南京市宁六路219号 邮编 210044
申请人数量 1 发明人数量 5
申请人所在省 江苏省 申请人所在市 江苏省南京市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
南京汇盛专利商标事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
张立荣、裴咏萍
摘要
本发明公开了一种平面气敏传感元件及其制备方法。该平面气敏传感元件采用负载CVD石墨烯的气敏传感器件;石墨烯表面沉积一维氧化锌薄膜;一维氧化锌呈笔头状;一维氧化锌的直径为100‑200nm,长宽比大于3,笔尖宽度为10‑100nm。本发明制备得到的气敏传感元件对丙酮气体具有响应快速,灵敏度高,操作温度低,同时对丙酮气体具有较高选择性。
  • 摘要附图
    一种平面气敏传感元件及其制备方法
  • 说明书附图:图1
    一种平面气敏传感元件及其制备方法
  • 说明书附图:图2
    一种平面气敏传感元件及其制备方法
  • 说明书附图:图3
    一种平面气敏传感元件及其制备方法
  • 说明书附图:图4
    一种平面气敏传感元件及其制备方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2018-03-30 授权
2 2015-09-09 实质审查的生效 IPC(主分类): G01N 27/04 专利申请号: 201510284530.8 申请日: 2015.05.29
3 2015-08-12 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种平面气敏传感元件,所述气敏传感元件采用负载CVD石墨烯的气敏传感器件;其特征在于,所述石墨烯表面沉积一维氧化锌薄膜;所述一维氧化锌呈笔头状;所述一维氧化锌的直径为100-200nm,长宽比大于3,所述笔尖宽度为10-100nm;所述气敏传感器件的叉指电极为金叉指电极或铂金叉指电极;
所述气敏传感元件通过以下方法制备:
(1)清洗负载CVD石墨烯的气敏传感器件;
(2)在步骤(1)清洗后的气敏传感器件上沉积金属锌薄膜;
(3)采用水热合成法,将步骤(2)中沉积得到的金属锌薄膜制备合成一维氧化锌薄膜,形成负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件;
(4)将步骤(3)得到的传感元件进行焙烧。

2.根据权利要求1所述的气敏传感元件,其特征在于,所述气敏传感器件的叉指电极中正方形接触垫的长和宽为1-2mm,两个接触垫的距离为2.5-3.5mm,且彼此对称,叉指阵列中叉指的间距为0.5-1.5um,叉指阵列部分的长度为1-2mm。

3.根据权利要求1所述的气敏传感元件,其特征在于,所述步骤(3)中水热合成法通过浓氨水调节反应体系pH值,运用羧甲基纤维素作为结构导向剂,控制反应温度为120-160℃,反应时间为6-72h;所述浓氨水用量为2-8ml;所述反应体系中去离子水的用量为10-
15ml;所述羧甲基纤维素采用羧甲基纤维素水溶液,浓度为1.4-4.2g/L,用量为2-4ml。

4.根据权利要求1或3所述的气敏传感元件,其特征在于,所述步骤(2)中对金属锌薄膜的沉积采用以下步骤:将所述负载CVD石墨烯的气敏传感器件置于磁控溅射设备的真空室,采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材,以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体,进行溅射沉积。

5.根据权利要求4所述的气敏传感元件,其特征在于,所述沉积金属锌薄膜的过程中,靶材与基台的距离为50-150mm,先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa,之后通入氩气,移除表面的污染物,调节氩气流量为8-28SCCM使腔室压强为0.5-2.5Pa,沉积功率为90-120W。

6.根据权利要求1或3所述的气敏传感元件,其特征在于,所述步骤(4)的焙烧过程为:
将所述负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与400-500℃空气气氛热处理1-2h,控制升温速率小于1℃/min。
说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于检测丙酮浓度的气敏传感元件。

背景技术

[0002] 丙酮是一种普遍使用的有机试剂,挥发性有毒液体,且易燃易爆,爆炸下限仅为2.6%。据报道,可以通过检查病人口腔呼出的气体中检测丙酮的浓度,进行无损诊断I型糖尿病。因此,开发快速响应、高灵敏度的丙酮传感器具有重要意义。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷,提供一种对丙酮气体具有响应快速,灵敏度高,操作温度低,同时对丙酮气体具有较高选择性的平面气敏元件。
[0004] 为了达到上述目的,本发明提供了一种平面气敏传感元件,该气敏传感元件采用负载CVD石墨烯的气敏传感器件;石墨烯表面沉积一维氧化锌薄膜;一维氧化锌呈笔头状;所述一维氧化锌的直径为100-200nm,长宽比大于3,所述笔尖宽度为10-100nm。
[0005] 其中,气敏传感器件的叉指电极为金叉指电极或铂金叉指电极,电极中正方形接触垫的长和宽为1-2mm,两个接触垫的距离为2.5-3.5mm,且彼此对称,叉指阵列中叉指的间距为0.5-1.5um,叉指阵列部分的长度为1-2mm。气敏传感器件制备过程详见文献(Nanoscale, 2011,3,4283)。
[0006] 本发明还提供了上述的气敏传感元件的制备方法,包括以下步骤:
[0007] (1)清洗负载CVD石墨烯的气敏传感器件;
[0008] (2)在步骤(1)清洗后的气敏传感器件上沉积金属锌薄膜;
[0009] (3)采用水热合成法,将步骤(2)中沉积得到的金属锌薄膜制备合成一维氧化锌薄膜,形成负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件;
[0010] (4)将步骤(3)得到的传感元件进行焙烧。
[0011] 步骤(3)中水热合成法通过浓氨水调节反应体系酸碱性,运用羧甲基纤维素作为结构导向剂,控制反应温度为120-160℃,反应时间为6-72h;所述浓氨水用量为2-8ml,反应体系中去离子水的用量为10-15ml,羧甲基纤维素采用羧甲基纤维素水溶液,浓度为1.4-4.2g/L,用量为2-4ml。
[0012] 步骤(2)中对金属锌薄膜的沉积采用以下步骤:将所述负载CVD石墨烯的气敏传感器件置于磁控溅射设备的真空室,采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材,以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体,进行溅射沉积。
[0013] 沉积金属锌薄膜的过程中,靶材与基台的距离为50-150mm,先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa,之后通入氩气,移除表面的污染物,调节氩气流量为8-28SCCM使腔室压强为0.5-2.5Pa,沉积功率为90-120W。
[0014] 步骤(4)的焙烧过程为:将所述负载一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与400-500℃空气气氛热处理1-2h,控制升温速率小于1℃/min。
[0015] 本发明相比现有技术具有以下优点:本发明利用氧化锌的一维纳米线、纳米带或纳米棒结构具有高的比表面积以及特定方向的尺寸与德拜长度相比拟,通过一维氧化锌与石墨烯的复合,制备所得复合气敏传感膜具有高表面吸附能力并且能达到载流子的完全耗尽,形成双耗尽层,进而表现出更高的灵敏度、更快的响应特性。本发明制备得到的气敏传感元件对丙酮选择性良好,可以抵抗其它气体的干扰。

实施方案

[0020] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0021] 实施例1
[0022] 本发明基于一维氧化锌/石墨烯纳米复合材料的气敏传感器元件的制备方法步骤如下:
[0023] 1、首先利用等离子清洗机对负载CVD石墨烯的气敏传感器件(气敏传感器件负载石墨烯的制备过程参照文献(New Journal of Chemistry, 38(2014),2362-2367)进行清洗,启动真空泵,抽完真空后,打开氧气的气路阀门,向清洗机中通入氧气,控制清洗机中压强达到60Pa-80Pa,启动清洗机,清洗时间2mins-5mins。
[0024] 2、将清洗过的负载CVD石墨烯的气敏传感元件置于磁控溅射设备的真空室,采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材,以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体,在经过清洗后的气敏传感元件上溅射沉积金属锌薄膜;
[0025] 3、沉积金属锌薄膜的过程中,靶材与基台的距离为50-150mm,先将腔室抽真空至1×10-4-5×10-4Pa。之后通入Ar,移除表面的污染物。
[0026] 4、调节Ar流量使腔室压强为1.5Pa,通入气体后,对气敏传感元件进行加热,温度达到300℃,沉积功率为100W,预溅射10mins左右,再计时溅射20mins。
[0027] 5、溅射完成后,待系统温度冷却至室温,再向真空室充入氮气,达到正常气压时打开真空室取出负载金属锌/石墨烯气敏传感器件。
[0028] 6、一维氧化锌/石墨烯纳米复合气敏传感膜的制备:
[0029] 采用水热合成的方法,浓氨水为2ml,去离子水为14ml,2.8g/L羧甲基纤维素4ml,反应温度为130℃,反应时间为48h;制备出笔头状一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜,所得一维氧化锌的直径范围为100-200nm之间。
[0030] 7、将负载复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与450℃空气气氛热处理2h,控制升温速率小于1℃min,制得基于一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的气敏传感元件。
[0031] 实施例2
[0032] 本发明基于一维氧化锌/石墨烯纳米复合材料的气敏传感器元件的制备方法步骤如下:
[0033] 1、首先利用等离子清洗机对负载CVD石墨烯的气敏传感器件进行清洗,启动真空泵,抽完真空后,打开氧气的气路阀门,向清洗机中通入氧气,控制清洗机中压强达到60Pa-80Pa,启动清洗机,清洗时间2mins-5mins。
[0034] 2、将清洗过的负载CVD石墨烯的气敏传感元件置于磁控溅射设备的真空室,采用质量纯度为99.99%的金属锌作为靶材,以质量纯度为99.99%的氩气作为工作气体,在备用的气敏传感元件上溅射沉积金属锌薄膜;
[0035] 3、沉积金属锌薄膜的过程中,靶材与基台的距离为60mm,先将腔室抽真空至1×-4 -410 -5×10 Pa。之后通入Ar,移除表面的污染物。
[0036] 4、调节Ar流量使腔室压强为1.5Pa,通入气体后,对气敏传感元件进行加热,温度达到250℃,沉积功率为80W,预溅射10mins左右,再计时溅射30mins。
[0037] 5、溅射完成后,待系统温度冷却至室温,再向真空室充入氮气,达到正常气压时打开真空室取出负载金属锌/石墨烯气敏传感器件。
[0038] 6、一维氧化锌/石墨烯纳米复合气敏传感膜的制备:
[0039] 采用水热合成的方法,浓氨水为4ml,去离子水为12ml,2.8g/L羧甲基纤维素4ml,反应温度为120℃,反应时间为36h;制备出笔头状一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜,所得一维氧化锌的直径范围为100-200nm之间。
[0040] 7、将负载复合气敏传感膜的传感元件在程序马弗炉中与450℃空气气氛热处理2h,控制升温速率小于1℃/min,制得基于一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的气敏传感元件。
[0041] 效果实施例1
[0042] 将本发明实施例1进行X射线衍射分析,如图1所示,反应制备所得一维ZnO传感材料的结晶度良好,晶粒尺寸为15nm左右。
[0043] 如图2、图3所示为实施例1制备得到的复合气敏传感膜的扫描电子显微镜图,从图中可以看出,复合气敏传感膜中一维氧化锌呈笔头状,笔头长度为10-100nm。该结构提升了传感材料的比表面积,并加快了载流子的传输速度,增强了传感材料的低温传感性能。
[0044] 对实施例1制备得到的气敏传感元件进行气敏性能测试(气敏特性通常用灵敏度来表征。灵敏度的定义为元件在大气气氛中的电阻值Ra与元件在一定浓度的被测气体气氛中的电阻值Rg与之比: ):
[0045] 采用动态气敏测试方法,将气体检测腔体的体积控制在200cm3,调控丙酮气氛的浓度在10-100ppm之间,检测温度控制在60-120℃之间,采用Keithley 6570A采集气敏传感数据。如图4所示,为气敏元件对丙酮浓度10-100ppm之间的待测气体的室温传感灵敏度,随着丙酮浓度的提高,气敏元件的传感灵敏度也随着提升。对10ppm,50ppm,以及100ppm丙酮的灵敏度分别为3.4,9.2 以及15.8。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例1制备气敏传感元件表面一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的X射线衍射图;
[0017] 图2为本发明实施例1制备气敏传感元件表面一维氧化锌/石墨烯复合气敏传感膜的扫描电子显微镜图;
[0018] 图3为图2中A处的局部放大图;
[0019] 图4为本发明实施例1制备气敏传感元件在100℃对不同丙酮浓度气氛的灵敏度曲线图。
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