一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體敏感材料與元件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的固有敏感機(jī)制決定了其對多種氣體都具有敏感作用而缺乏選擇性，導(dǎo)致難以精確識別目標(biāo)氣體，且其對工作溫度有一定要求，而工作溫度影響著氣敏材料對氣體的反應(yīng)活性、表面化學(xué)吸附氧的狀態(tài)以及電子交換過程，進(jìn)而決定著靈敏度的大小。以硫化氫(H2S)氣體為例，目前文獻(xiàn)中報道的氧化錫(SnO2)氣體傳感器的最佳工作溫度以150°C為主，盡管可以通過摻入Pt、Pd等貴金屬催化劑在一定程度上改善氣敏特性，但是使用這類添加劑存在材料稀缺、價格昂貴且易出現(xiàn)催化劑中毒現(xiàn)象而失效等弊端。
[0003]近年來，將不同材料復(fù)合化是當(dāng)代氣敏材料發(fā)展的方向，和單一組分的納米材料不同，納米復(fù)合材料由于其大的比表面積和強(qiáng)的界面相互作用使得其與常規(guī)復(fù)合材料相比具備更好的化學(xué)物理性質(zhì)，從而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并對這種材料的性能及其應(yīng)用展開了研宄。
[0004]Wang等人利用靜電紡絲技術(shù)制備出中空分等級Sn02/Zn0復(fù)合納米纖維，通過調(diào)節(jié)前驅(qū)物比例制備出SnOJP ZnO不同比例的復(fù)合納米纖維，同時研宄了幾種材料對甲醇?xì)怏w的敏感特性。研宄發(fā)現(xiàn)當(dāng)31102與ZnO的比例為1:1時，材料對甲醇的靈敏度最大為9左右，但是器件的制備方法過于繁瑣，費時費力，不利于器件的重復(fù)性制作及工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。Gupta等人使用激光淀積制備了 SnO2/CuO納米復(fù)合物并研宄了其對H2S氣體的敏感特性，靈敏度要高于純相材料，但是該制備方法要求很高的工藝精度和較高的傳感器工作溫度，并不利于復(fù)合材料在真實器件中發(fā)揮納米材料的優(yōu)勢。Xue等人采用簡便的化學(xué)法成功制備了針對H2S氣體的異質(zhì)結(jié)型Sn02/Cu0傳感器，然而制備過程中需要800°C的高度燒結(jié)，造成了額外的能量損耗。2014年，Liu等人以化學(xué)水浴法合成了納米花狀ZnO，并經(jīng)過溶液攪拌煅燒后得到表面負(fù)載N1納米顆粒的N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其過高的煅燒溫度也存在能量損耗的問題。同時在以納米復(fù)合材料為氣敏材料的傳感器領(lǐng)域，也普遍存在器件初始電阻值過大的問題，這對電路結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，也增加了其在實際使用中的檢測難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器及其制備方法，傳感器能在較低的工作溫度甚至常溫下檢測低濃度目標(biāo)氣體，靈敏度高，且制備方法簡單，易于實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有良好的市場應(yīng)用前景。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器，其特征在于，包括絕緣襯底、信號電極和氣敏層；其中，所述氣敏層由膠態(tài)納米晶復(fù)合材料和石墨烯構(gòu)成，所述膠態(tài)納米晶復(fù)合材料由兩種膠態(tài)納米晶復(fù)合而成。
[0007]優(yōu)選地，所述膠態(tài)納米晶復(fù)合材料由SnO2膠態(tài)納米晶和CuO膠態(tài)納米晶復(fù)合而成。
[0008]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(I)將兩種納米晶的前驅(qū)體溶液混合，采用膠態(tài)法制得納米晶復(fù)合材料，將其均勻分散于溶劑中，并向其中摻入石墨烯，得到復(fù)合溶液；(2)將復(fù)合溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；(3)重復(fù)執(zhí)行步驟(2)，得到具有所需厚度的氣敏層，完成氣體傳感器的制備。
[0009]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)采用膠態(tài)法制得兩種納米晶，并分別將其均勻分散在溶劑中，得到兩種納米晶溶液；(2)將步驟(I)得到的兩種納米晶溶液混合均勻并向其中摻入石墨烯，得到復(fù)合溶液；(3)將復(fù)合溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；(4)重復(fù)執(zhí)行步驟(3)，得到具有所需厚度的氣敏層，完成氣體傳感器的制備。
[0010]優(yōu)選地，所述兩種納米晶分別為SnO2膠態(tài)納米晶和CuO膠態(tài)納米晶。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器，其特征在于，包括絕緣襯底、信號電極和氣敏層；其中，所述氣敏層由石墨烯薄膜和至少一層復(fù)合膠態(tài)納米晶薄膜依次堆疊而成，所述復(fù)合膠態(tài)納米晶薄膜由第一膠態(tài)納米晶薄膜和第二膠態(tài)納米晶薄膜依次堆疊而成；所述第一膠態(tài)納米晶薄膜和所述第二膠態(tài)納米晶薄膜由不同材料構(gòu)成。
[0012]優(yōu)選地，所述第一膠態(tài)納米晶薄膜和所述第二膠態(tài)納米晶薄膜各自獨立地為SnO2膠態(tài)納米晶薄膜或CuO膠態(tài)納米晶薄膜。
[0013]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)采用膠態(tài)法制得兩種納米晶，并分別將其均勻分散在溶劑中，得到第一納米晶溶液和第二納米晶溶液；(2)將石墨烯溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；(3)將第一納米晶溶液涂覆在石墨烯薄膜上，使其均勻成膜；(4)將第二納米晶溶液涂覆在第一納米晶薄膜上，使其均勻成膜。
[0014]優(yōu)選地，上述制備方法還包括如下步驟(5):重復(fù)執(zhí)行步驟(3)和⑷，得到具有所需厚度的復(fù)合納米晶薄膜。
[0015]優(yōu)選地，所述第一納米晶溶液和所述第二納米晶溶液不同且各自獨立地為SnOJK態(tài)納米晶溶液或CuO膠態(tài)納米晶溶液。
[0016]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0017]1、向氣敏層中引入具有高電子迀移率及良好導(dǎo)電性的石墨烯，能大幅降低傳感器的初始電阻值，降低其在實際應(yīng)用中的檢測難度，具有良好的市場應(yīng)用前景。
[0018]2、利用膠態(tài)法合成半導(dǎo)體納米晶溶液，能在室溫下直接成膜，不需要經(jīng)過高溫處理，能耗小，且不會造成納米顆粒的團(tuán)聚，能夠最大限度地發(fā)揮納米顆粒比表面積大的優(yōu)勢，有利于氣體吸附，提高傳感器的靈敏度。
[0019]3、制備方法簡單，易于實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明第三個實施例的半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法流程圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]膠態(tài)法是一種利用有機(jī)配體分子包裹正在生長的納米晶的表面，從而控制粒子團(tuán)聚的濕化學(xué)方法。用膠態(tài)法制備的半導(dǎo)體材料與普通的納米材料相比，是一類可溶液處理的均勻性好的材料體系，并且具有優(yōu)良的室溫成膜性能，是制備低溫高性能氣體傳感器的新型理想材料。由室溫成膜方法得到的氣敏薄膜不需經(jīng)過傳統(tǒng)的高溫煅燒或者高溫轉(zhuǎn)移過程，不會造成納米顆粒的團(tuán)聚，能夠有效地發(fā)揮納米顆粒比表面積大的優(yōu)勢，因而制得的氣體傳感器能在低溫下對低濃度氣體進(jìn)行高靈敏度的檢測，降低了損耗，安全便攜。此外，向氣敏層中引入具有高電子迀移率及良好導(dǎo)電性的石墨烯，更是降低了傳感器的初始電阻值，降低了其在實際應(yīng)用中的檢測難度，具有良好的市場應(yīng)用前景。
[0023]本發(fā)明一個實施例的半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器包括絕緣襯底、信號電極和氣敏層。其中，氣敏層由膠態(tài)納米晶復(fù)合材料和石墨烯構(gòu)成，膠態(tài)納米晶復(fù)合材料由兩種膠態(tài)納米晶復(fù)合而成。具體地，膠態(tài)納米晶復(fù)合材料由SnO2膠態(tài)納米晶和CuO膠態(tài)納米晶復(fù)合而成。
[0024]在本發(fā)明的第一個實施例中，上述半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法包括如下步驟:
[0025](I)將兩種納米晶的前驅(qū)體溶液混合，采用膠態(tài)法制得納米晶復(fù)合材料，將其均勻分散于溶劑中，并向其中摻入石墨烯，得到復(fù)合溶液；
[0026](2)將復(fù)合溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；
[0027]優(yōu)選地，在成膜后采用短鏈無機(jī)配體溶液處理薄膜，并去除殘余的短鏈無機(jī)配體及其副產(chǎn)物；
[0028](3)重復(fù)執(zhí)行步驟(2)，得到具有所需厚度的氣敏層，完成氣體傳感器的制備。
[0029]在本發(fā)明的第二個實施例中，上述半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法包括如下步驟:
[0030](I)采用膠態(tài)法制得兩種納米晶，并分別將其均勻分散在溶劑中，得到兩種納米晶溶液；
[0031](2)將步驟(I)得到的兩種納米晶溶液混合均勻并向其中摻入石墨烯，得到復(fù)合溶液；
[0032](3)將復(fù)合溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；
[0033]優(yōu)選地，在成膜后采用短鏈無機(jī)配體溶液處理薄膜，并去除殘余的短鏈無機(jī)配體及其副產(chǎn)物；
[0034](4)重復(fù)執(zhí)行步驟(3)，得到具有所需厚度的氣敏層，完成氣體傳感器的制備。
[0035]具體地，上述第一和第二個實施例中，兩種納米晶分別為SnO2膠態(tài)納米晶和CuO膠態(tài)納米晶。
[0036]本發(fā)明另一個實施例的半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器包括絕緣襯底、信號電極和氣敏層。其中，氣敏層由石墨烯薄膜和至少一層復(fù)合膠態(tài)納米晶薄膜依次堆疊而成，復(fù)合膠態(tài)納米晶薄膜由第一膠態(tài)納米晶薄膜和第二膠態(tài)納米晶薄膜依次堆疊而成。具體地，第一膠態(tài)納米晶薄膜和第二膠態(tài)納米晶薄膜由不同材料構(gòu)成且自獨立地為SnO2膠態(tài)納米晶薄膜或CuO膠態(tài)納米晶薄膜。
[0037]如圖1所示，上述半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器的制備方法包括如下步驟:
[0038](I)采用膠態(tài)法制得兩種納米晶，并分別將其均勻分散在溶劑中，得到第一納米晶溶液和第二納米晶溶液；
[0039](2)將石墨烯溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；
[0040](3)將第一納米晶溶液涂覆在石墨烯薄膜上，使其均勻成膜；