本發(fā)明屬于半導體氣敏元件技術領域，具體涉及了一種二甲苯氣敏材料、二甲苯氣敏器件及其制備方法。
背景技術：
二甲苯(dimethylbenzene)為無色透明液體，是苯環(huán)上兩個氫被甲基取代的產物，存在鄰、間、對三種異構體。二甲苯具刺激性氣味、易燃，與乙醇、氯仿或乙醚能任意混合，在水中不溶。二甲苯作為重要的化工原料，廣泛用于涂料、樹脂、染料、油墨等行業(yè)做溶劑；也用于醫(yī)藥、炸藥、農藥等行業(yè)做合成單體或溶劑。
二甲苯對健康的危害主要有，二甲苯對眼及呼吸道有刺激作用，高濃度對中樞神經有麻醉作用。二甲苯急性中毒：短期內吸入較高濃度可出現(xiàn)眼及上呼吸道明顯的刺激癥狀、眼結膜及咽充血、頭暈、惡心、嘔吐、胸悶、四肢無力、意識模糊、步態(tài)蹣跚。根據中國(TJ36-79)規(guī)定，車間空氣中有害物質的最高容許濃度100mg/m3(二甲苯)，中國(TJ36-79)規(guī)定居住區(qū)大氣中有害物質的最高容許濃度0.30mg/m3。根據中國(GB16297-1996)大氣污染物綜合排放標準中，二甲苯的最高允許排放濃度排放限值為70mg/m3。因此，對二甲苯氣體的檢測具有十分重要的意義。
二甲苯半導體氣敏傳感器的性能主要取決于氣敏材料的性能。目前國內二甲苯半導體氣敏傳感器的氣敏材料主要是國外進口，國內沒有成熟的二甲苯氣敏材料。因此研究一種靈敏度高、響應-恢復時間短、穩(wěn)定好、經濟性好的二甲苯氣敏材料及其氣敏元件將會有很大的市場前景。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的不足，目的在于提供一種靈敏度高、響應-恢復時間短、長期穩(wěn)定的二甲苯氣敏材料、二甲苯氣敏器件及其制備方法。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：
一種二甲苯氣敏材料，為Fe2(MoO4)3納米粉體，所述Fe2(MoO4)3納米粉體的粒徑為10～80nm。
上述二甲苯氣敏材料的制備方法，包括如下步驟：
(1)稱取Fe(NO3)3·9H2O配制成硝酸鐵水溶液，稱取Na2MoO4·2H2O配制成鉬酸鈉水溶液，將兩種溶液混合均勻并調節(jié)pH，得到混合溶液；
(2)將混合溶液轉移至反應釜中，進行高溫水熱反應，反應結束后，將反應產物抽濾、洗滌、干燥，得到Fe2(MoO4)3納米粉體；
(3)將步驟(2)制備所得Fe2(MoO4)3納米粉體精細研磨成粒徑為10～80nm的粉體，即為二甲苯氣敏材料。
上述方案中，所述鉬酸鈉與硝酸鐵的摩爾比為3:2。
上述方案中，所述硝酸鐵水溶液和鉬酸鈉水溶液的濃度均為0.1～1mol/L。
上述方案中，所述pH為0～3。
上述方案中，所述高溫水熱反應為：溫度160～200℃，水熱反應2～24h。
采用上述二甲苯氣敏材料制備得到的二甲苯氣敏器件。
上述二甲苯氣敏器件的制備方法，包括如下步驟：(1)將二甲苯氣敏材料與適量無水乙醇、聚乙二醇混合調成糊狀，將其均勻涂敷在電極管表面，自然風干后經300～450℃退火處理0.5～4h得到氣敏電極管，然后按照旁熱式結構傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制備得二甲苯氣敏器件。
本發(fā)明所述二甲苯氣敏器件的主要技術指標如下：
1.器件檢測范圍：50ppm-10000ppm(氣體體積分數：1ppm＝1X10-6)；
2.器件工作溫度：340℃-420℃；
3.檢測靈敏度：5-200；
4.器件反應時間：小于20s；
5.器件恢復時間：小于30s。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明制作的二甲苯氣敏傳感器件具有對二甲苯氣體高度敏感的檢測功能，對100ppm濃度的二甲苯氣體靈敏度在10-20(靈敏度＝Rgas/Rair，Rgas，Rair分別為元件在檢測二甲苯氣體和空氣中的電阻)，最低檢測濃度小于50ppm，可用于大氣中二甲苯有害物質的安全檢測；并且本發(fā)明制作的二甲苯氣敏傳感器件具有較高的選擇性，對乙醇，甲苯的靈敏度較低，只對二甲苯具有較高靈敏度(這與常規(guī)的SnO2，ZnO基傳感器大不相同，產生良好選擇性的原因主要是納米鉬酸鐵對空氣氧化二甲苯具有較強的催化作用)。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
實施例1
一種二甲苯氣敏器件，通過如下方法制備得到：
(1)二甲苯氣敏材料的制備：稱量404g的Fe(NO3)3·5H2O(1mol)加入1L去離子水配制成1mol/L的硝酸鐵溶液，稱量363g(1.5mol)Na2MoO4·2H2O加入1.5L去離子水配制成1mol/L的鉬酸鈉水溶液；將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數比為3:2，調節(jié)混合溶液的pH為0；將混合溶液轉移至反應釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應12小時；水熱反應完成后，將反應產物抽濾并多次洗滌后，在80℃低溫干燥，得到鉬酸鐵納米粉體；
(2)稱取上述得到的鉬酸鐵納米粉體1g精細研磨成粒徑尺寸為25nm的粉體，并用適量無水乙醇及少量聚乙二醇調成糊狀，然后將其均勻涂敷在電極管表面，自然風干后于450℃退火處理30min，即制得二甲苯氣敏器件的核心部分—氣敏電極管；最后按旁熱式結構傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得二甲苯氣敏器件。
本實施例制備得到的二甲苯氣敏器件采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產的氣敏元件測試系統(tǒng)WS-30A儀器進行氣敏性能測試，測試方法為靜態(tài)配氣法。測試結果為：當工作溫度為340℃時，對50ppm二甲苯的靈敏度為6，響應時間與恢復時間分別為16s和24s，對二甲苯表現(xiàn)出好的靈敏性。
實施例2
一種二甲苯氣敏器件，通過如下方法制備得到：
(1)二甲苯氣敏材料的制備：稱量40.4g的Fe(NO3)3·5H2O(0.1mol)加入1L去離子水配制成0.1mol/L的硝酸鐵溶液，稱量36.3g(0.15mol)Na2MoO4·2H2O加入1.5L去離子水配制成0.1mol/L的鉬酸鈉水溶液；將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數比為3:2，調節(jié)pH至2；將混合溶液轉移至反應釜中，逐步升溫至200℃，保溫反應2小時；水熱反應完成后，將反應產物抽濾并多次洗滌后，在100℃干燥，得到鉬酸鐵納米粉體；
(2)稱取上述得到的鉬酸鐵納米粉體1g精細研磨成粒徑尺寸為30nm的粉體，并用適量無水乙醇及少量聚乙二醇調成糊狀，然后將其均勻涂敷在電極管表面，自然風干后于400℃退火處理4h，即制得二甲苯氣敏器件的核心部分—氣敏電極管；最后按旁熱式結構傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得二甲苯氣敏器件。
本實施例制備得到的二甲苯氣敏器件采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產的氣敏元件測試系統(tǒng)WS-30A儀器進行氣敏性能測試，測試方法為靜態(tài)配氣法。測試結果為：當工作溫度為370℃時，對100ppm二甲苯的靈敏度為13，響應時間與恢復時間分別為13s和20s，對二甲苯表現(xiàn)出好的靈敏性。
實施例3
一種二甲苯氣敏器件，通過如下方法制備得到：
(1)二甲苯氣敏材料的制備：稱量40.4g的Fe(NO3)3·5H2O(0.1mol)加入0.5L去離子水配制成0.2mol/L的硝酸鐵溶液，稱量36.3g(0.15mol)Na2MoO4·2H2O加入1L去離子水配制成0.15mol/L的鉬酸鈉水溶液；將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數比為3:2，調節(jié)pH至3；將混合溶液轉移至反應釜中，逐步升溫至160℃，保溫反應24小時；水熱反應完成后，將反應產物抽濾并多次洗滌后，在100℃干燥，得到鉬酸鐵納米粉體；
(2)稱取上述得到的鉬酸鐵納米粉體1g精細研磨成粒徑尺寸為35nm的粉體，并用適量無水乙醇及少量聚乙二醇調成糊狀，然后將其均勻涂敷在電極管表面，自然風干后于420℃退火處理1h，即制得二甲苯氣敏器件的核心部分—氣敏電極管。最后按旁熱式結構傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得二甲苯氣敏器件。
本實施例制備得到的二甲苯氣敏器件采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產的氣敏元件測試系統(tǒng)WS-30A儀器進行氣敏性能測試，測試方法為靜態(tài)配氣法。測試結果為：當工作溫度為420℃時，對100ppm二甲苯的靈敏度為14，響應時間與恢復時間分別為10s和16s，對二甲苯表現(xiàn)出好的靈敏性。
實施例4
一種二甲苯氣敏器件，通過如下方法制備得到：
(1)二甲苯氣敏材料的制備：稱量404g的Fe(NO3)3·5H2O(1mol)加入2L去離子水配制成0.5mol/L的硝酸鐵溶液，稱量363g(1.5mol)Na2MoO4·2H2O加入3L去離子水配制成0.5mol/L的鉬酸鈉水溶液；將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數比為3:2，調節(jié)pH至1；將混合溶液轉移至反應釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應6小時；水熱反應完成后，將反應產物抽濾并多次洗滌后，在120℃干燥，得到鉬酸鐵納米粉體；
(2)稱取上述得到的鉬酸鐵納米粉體1g精細研磨成粒徑尺寸為20nm的粉體，并用適量無水乙醇及少量聚乙二醇調成糊狀，然后將其均勻涂敷在電極管表面，自然風干后于430℃退火處理30min，即制得二甲苯氣敏器件的核心部分—氣敏電極管，最后按旁熱式結構傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得二甲苯氣敏器件。
本實施例制備得到的二甲苯氣敏器件采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產的氣敏元件測試系統(tǒng)WS-30A儀器進行氣敏性能測試，測試方法為靜態(tài)配氣法。測試結果為：當工作溫度為370℃時，對50ppm二甲苯的靈敏度為8，響應時間與恢復時間分別為17s和22s，對二甲苯表現(xiàn)出好的靈敏性。
實施例5
一種二甲苯氣敏器件，通過如下方法制備得到：
(1)二甲苯氣敏材料的制備：稱量404g的Fe(NO3)3·5H2O(1mol)加入2L去離子水配制成0.5mol/L的硝酸鐵溶液，稱量363g(1.5mol)Na2MoO4·2H2O加入3L去離子水配制成0.5mol/L的鉬酸鈉水溶液；將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數比為3:2；調節(jié)pH至2，將混合溶液轉移至反應釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應6小時；水熱反應完成后，將反應產物抽濾并多次洗滌后，在100℃干燥，得到鉬酸鐵納米粉體；
(2)稱取上述得到的鉬酸鐵納米粉體1g精細研磨成粒徑尺寸為25nm的粉體，并用適量無水乙醇及少量聚乙二醇調成糊狀，然后將其均勻涂敷在電極管表面，自然風干后于400℃退火處理1h，即制得二甲苯氣敏器件的核心部分—氣敏電極管；最后按旁熱式結構傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得二甲苯氣敏器件。
本實施例制備得到的二甲苯氣敏器件采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產的氣敏元件測試系統(tǒng)WS-30A儀器進行氣敏性能測試，測試方法為靜態(tài)配氣法。測試結果為：當工作溫度為370℃時，對100ppm二甲苯的靈敏度為14，響應時間與恢復時間分別為16s和28s，對二甲苯表現(xiàn)出好的靈敏性。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內。