專利名稱：氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅髦苽浞椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種氣體傳感元件，特別涉及一種以氧化鋅(ZnO)摻雜的二氧化鈦(TiO2)為材料的厚膜型高選擇性的丙酮蒸汽氣敏傳感元件的制備方法。
背景技術(shù)：
傳感器在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、信息技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。金屬氧化物氣敏傳感器作為傳感器的一個(gè)重要分支，已經(jīng)成為近年傳感器研究和開發(fā)的重點(diǎn)，是未來(lái)氣敏傳感器的發(fā)展方向之一。這種傳感器主要是利用金屬氧化物半導(dǎo)體的表面電阻遇到被測(cè)氣體發(fā)生變化的原理制成的電子器件，其選擇性和靈敏度特性都很優(yōu)良。
丙酮是一種廣泛使用的有機(jī)試劑，易于在空氣中氧化，并在氧化過(guò)程中大量消耗大氣中的氧氣，是一種有害的空氣污染物。同時(shí)，丙酮還可以刺激人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，出現(xiàn)乏力、頭痛、嘔吐，甚至昏迷的中毒癥狀，是一種有毒氣體。目前，國(guó)內(nèi)的氣敏傳感器主要是廣譜的，采用的制備方式多為濺射法，工藝復(fù)雜，成本高，缺少對(duì)丙酮敏感的高選擇性的氣敏傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供了一種工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好的氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅髦苽浞椒?。本發(fā)明氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅髦苽浞椒ǎ襟E如下(I)以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，將鈦酸丁酯逐滴滴入無(wú)水乙醇中，攪拌10-30分鐘使其混合均勻，鈦酸丁酯與無(wú)水乙醇的摩爾比在1:2-8之間；(2)將ZnO納米粉體溶于去離子水中，ZnO粉體的摩爾數(shù)為鈦酸丁酯的1%_10%之間，然后加入醋酸溶調(diào)節(jié)混合液的PH在1-4之間；然后將此混合溶液逐滴滴入鈦酸丁酯前驅(qū)體溶液中，并不斷攪拌，生成溶膠溶液；(3)將溶膠溶液攪拌O. 5-2小時(shí)，使得溶質(zhì)充分反應(yīng)后，靜置于通風(fēng)櫥內(nèi)陳化2-5小時(shí)，使膠體向凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)化；(4)將凝膠狀態(tài)的膠體烘干并研磨成粉末，與甲基纖維素按照重量比1-4:2之間的比例混合均勻，然后添加去離子水形成糊狀并均勻涂于陶瓷管外壁；(5)將上述涂有TiO2材料的陶瓷管保持溫度500°C -800°c之間退火2-4小時(shí)，在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜，即成氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅?。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)I、用本發(fā)明所述的溶膠-凝膠法制備的TiO2厚膜涂在市售的陶瓷或者石英管上，制作工藝簡(jiǎn)單，成膜質(zhì)量好，重復(fù)性強(qiáng)，可用于批量生產(chǎn)。2、采用溶膠-凝膠法制備薄膜時(shí)，選擇本發(fā)明中的工藝參數(shù)，可使氣敏元件對(duì)丙酮具有很高的選擇性，可以抵抗其它有機(jī)蒸汽的干擾，且響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間短。本發(fā)明主要用途在混合的有機(jī)蒸汽中，檢測(cè)出丙酮蒸汽的存在。


圖I所示為測(cè)試電路圖2所示為氣敏元件測(cè)試典型結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。利用溶膠-凝膠法，選擇合適的工藝參數(shù)(如陳化時(shí)間，反應(yīng)物配比，退火時(shí)間等)在市售的陶瓷管或石英管外表面上制備TiO2薄膜。陶瓷管內(nèi)置有電爐絲，用以加熱陶瓷管。將電爐絲和TiO2膜上的鉬金絲引出電極分別與引出回路和測(cè)試電路相連接，利用TiO2薄膜的電阻隨引入丙酮蒸汽而變化，便可測(cè)定丙酮蒸汽存在與否。元件表現(xiàn)出了只對(duì)丙酮蒸氣敏感的高選擇性和較短的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間的氣敏特性。氣敏元件的氣敏特性通常用靈敏度來(lái)表征。靈敏度的定義為元件在大氣氣氛中的電阻值Rs與元件在一定濃度的被測(cè)氣體氣氛中的電阻值Rg與之比
RsS =-
Rg靈敏度的測(cè)試方法通過(guò)給元件中的電阻絲供電的方法，使電阻絲升溫發(fā)熱，從而將熱量間接傳導(dǎo)于陶瓷管(或石英管)表面。將負(fù)載電阻R與元件電阻Rz相串聯(lián)，其兩
端供給測(cè)試電壓Vc。取R兩端的電壓為輸出電壓Vout。元件的電阻λ =^(1-/0。
VoiU
在大氣氣氛下Rz = Rs,在丙酮蒸氣氣氛下，Rz = Rg0本發(fā)明采用溶膠-凝膠法制備出了僅對(duì)丙酮蒸氣有敏感特性的氣敏元件，對(duì)于其他常見的有機(jī)蒸氣(如甲醛，甲醇、乙醇等)不敏感，可在眾多的混合有機(jī)蒸氣中，檢測(cè)出丙酮蒸氣的存在與否，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，具有良好的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間和選擇性。實(shí)施例I.溶膠-凝膠法制備TiO2厚膜準(zhǔn)備對(duì)陶瓷管和攪拌器用酒精進(jìn)行清洗并干燥；準(zhǔn)備燒杯、量筒、玻璃棒若干，用去離子水清洗并烘干。I.將4毫升鈦酸丁酯逐滴滴入24毫升無(wú)水乙醇中，并將混合溶液攪拌10分鐘，觀察到溶液為微黃色澄清溶液；操作過(guò)程中務(wù)必保持容器的干燥，切忌前驅(qū)體與水發(fā)生接觸從而發(fā)生反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。2.將45毫克氧化鋅納米粉體溶于去離子水中，并使用醋酸將溶液pH值調(diào)節(jié)為2，混合溶液共計(jì)3毫升。將此混合溶液逐滴滴入鈦酸丁酯溶液中，并攪拌O. 5小時(shí)，得到微黃色透明粘稠溶膠溶液。3.將溶膠溶液置于通風(fēng)櫥內(nèi)陳化3小時(shí)，得到白色凝膠。4.將凝膠狀態(tài)的膠體烘干并研磨成粉末，與甲基纖維素按照重量比I: I的比例，然后添加去離子水并均勻涂于陶瓷管外壁。5.將涂有TiO2材料的陶瓷管在750°C下退火3小時(shí)，以在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜；陶瓷管內(nèi)置有電爐絲，用以加熱陶瓷管。將電爐絲和TiO2膜上的鉬金絲引出電極分別與引出回路和測(cè)試電路相連接，如圖I所示(Rz為敏感元件電阻，R為負(fù)載電阻，R依據(jù)Rz大小進(jìn)行選擇。Vc為測(cè)試回路供給電壓；Vout為輸出的測(cè)試電壓。Vh為加熱回路的供給電壓，依據(jù)需要的加熱溫度進(jìn)行選擇)，即成氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅?。用HW — 30A型氣敏測(cè)試儀測(cè)定其氣敏特性，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。當(dāng)本發(fā)明的氣敏元件工作溫度為250°C時(shí)，其氣敏測(cè)試結(jié)果如下本項(xiàng)發(fā)明的丙酮?dú)饷粼H對(duì)丙酮蒸汽敏感，其響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間均為2秒。對(duì)甲醛等其他干擾性氣體不敏感。實(shí)施例2.溶膠-凝膠法制備TiO2厚膜準(zhǔn)備對(duì)陶瓷管和攪拌器用酒精進(jìn)行清洗并干燥；準(zhǔn)備燒杯、量筒、玻璃棒若干，用去離子水清洗并烘干。I.將12毫升鈦酸丁酯逐滴滴入96毫升無(wú)水乙醇中，并將混合溶液攪拌30分鐘，觀察到溶液為微黃色澄清溶液；操作過(guò)程中務(wù)必保持容器的干燥，切忌前驅(qū)體與水發(fā)生接·觸從而發(fā)生反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。2.將72. 5毫克氧化鋅納米粉體溶于去離子水中，并使用醋酸將溶液pH值調(diào)節(jié)為3，混合溶液共計(jì)8毫升。將此混合溶液逐滴滴入鈦酸丁酯溶液中，并攪拌I小時(shí)，得到微黃色透明粘稠溶膠溶液。2.將溶膠溶液置于通風(fēng)櫥內(nèi)陳化4小時(shí)，得到白色凝膠。3.將凝膠狀態(tài)的膠體烘干并研磨成粉末，與甲基纖維素按照1:2的比例，然后添加去離子水并均勻涂于陶瓷管外壁。4.將涂有TiO2材料的陶瓷管在600°C下退火3小時(shí)，以在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜；陶瓷管內(nèi)置有電爐絲，用以加熱陶瓷管。將電爐絲和TiO2膜上的鉬金絲引出電極分別與引出回路和測(cè)試電路相連接，即成氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅鳌?.用HW — 30A型氣敏測(cè)試儀測(cè)定其氣敏特性，當(dāng)本發(fā)明的氣敏元件工作溫度為250°C時(shí)，其氣敏測(cè)試結(jié)果如下本項(xiàng)發(fā)明的丙酮?dú)饷粼H對(duì)丙酮蒸汽敏感，其響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間均為3秒。對(duì)甲醛等其他干擾性氣體不敏感。實(shí)施例3.溶膠-凝膠法制備TiO2厚膜準(zhǔn)備對(duì)陶瓷管和攪拌器用酒精進(jìn)行清洗并干燥；準(zhǔn)備燒杯、量筒、玻璃棒若干，用去離子水清洗并烘干。I.將10毫升鈦酸丁酯逐滴滴入84毫升無(wú)水乙醇中，并將混合溶液攪拌30分鐘，觀察到溶液為微黃色澄清溶液；操作過(guò)程中務(wù)必保持容器的干燥，切忌前驅(qū)體與水發(fā)生接觸從而發(fā)生反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。2.將60毫克氧化鋅納米粉體溶于去離子水中，并使用醋酸將溶液pH值調(diào)節(jié)為4，混合溶液共計(jì)5毫升。將此混合溶液逐滴滴入鈦酸丁酯溶液中，并攪拌I. 5小時(shí)，得到微黃色透明粘稠溶膠溶液。3.將溶膠溶液置于通風(fēng)櫥內(nèi)陳化5小時(shí)，得到白色凝膠。4.將凝膠狀態(tài)的膠體烘干并研磨成粉末，與甲基纖維素按照I :4的比例，然后添加去離子水并均勻涂于陶瓷管外壁。5.將涂有TiO2材料的陶瓷管在500°C下退火4小時(shí)，以在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜；陶瓷管內(nèi)置有電爐絲，用以加熱陶瓷管。將電爐絲和TiO2膜上的鉬金絲引出電極分別與引出回路和測(cè)試電路相連接，即成氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅鳌?br> 用HW — 30A型氣敏測(cè)試儀測(cè)定其氣敏特性。當(dāng)本發(fā)明的氣敏元件工作溫度為200°C時(shí)，其氣敏測(cè)試結(jié)果如下本項(xiàng)發(fā)明的丙酮?dú)饷粼H對(duì)丙酮蒸汽敏感，其響應(yīng)-恢 復(fù)時(shí)間均為2. 5秒。對(duì)甲醛等其他干擾性氣體不敏感。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅髦苽浞椒?，步驟如下 a.以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，將鈦酸丁酯逐滴滴入無(wú)水乙醇中，攪拌10-30分鐘使其混合均勻，鈦酸丁酯與無(wú)水乙醇的摩爾比在1:2-8之間； b.將ZnO納米粉體溶于去離子水中，ZnO粉體的摩爾數(shù)為鈦酸丁酯的1%_10%之間，然后加入醋酸溶調(diào)節(jié)混合液的PH在1-4之間；然后將此混合溶液逐滴滴入鈦酸丁酯前驅(qū)體溶液中，并不斷攪拌，生成溶膠溶液； c.將溶膠溶液攪拌0.5-2小時(shí)，使得溶質(zhì)充分反應(yīng)后，靜置于通風(fēng)櫥內(nèi)陳化2-5小時(shí)，使膠體向凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)化； d.將凝膠狀態(tài)的膠體烘干并研磨成粉末，與甲基纖維素按照重量比1-4:2之間的比例混合均勻，然后添加去離子水形成糊狀并均勻涂于陶瓷管外壁； e.將上述涂有TiO2材料的陶瓷管保持溫度500°C_800°C之間退火2_4小時(shí)，在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜，即成氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅鳌?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化鋅摻雜二氧化鈦基的丙酮?dú)饷魝鞲衅髦苽浞椒?。本發(fā)明步驟如下將鈦酸丁酯逐滴滴入無(wú)水乙醇中，攪拌10-30分鐘使其混合均勻，將ZnO納米粉體溶于去離子水中，ZnO粉體的摩爾數(shù)為鈦酸丁酯的1%-10%之間，然后加入醋酸溶調(diào)節(jié)混合液的pH在1-4之間；將溶膠溶液攪拌1-2小時(shí)后靜置；將凝膠狀態(tài)的膠體烘干并研磨成粉末，與甲基纖維素按照重量比1-4:2之間的比例混合均勻，然后添加去離子水形成糊狀并均勻涂于陶瓷管外壁；將上述涂有TiO2材料的陶瓷管保持溫度600℃-900℃之間退火2-4小時(shí)即成。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好。
文檔編號(hào)G01N27/22GK102953059SQ201210310409
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者潘國(guó)峰, 周亞同, 何平, 劉偉, 高金雍 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)