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CN116256400A - 一种紫外增强室温乙醇气体传感器 - Google Patents

一种紫外增强室温乙醇气体传感器 Download PDF

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CN116256400A CN202310083123.5A CN202310083123A CN116256400A CN 116256400 A CN116256400 A CN 116256400A CN 202310083123 A CN202310083123 A CN 202310083123A CN 116256400 A CN116256400 A CN 116256400A
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Abstract

本发明涉及乙醇传感技术领域，具体涉及一种紫外增强室温乙醇气体传感器，包括基底、叉指电极层、气敏材料层、贵金属颗粒层，叉指电极层置于基底上，叉指电极层包括多个相互平行且分离的叉指，气敏材料层置于叉指和基底，贵金属颗粒层置于气敏材料层上。本发明在贵金属颗粒层与叉指之间形成谐振腔，激发光被限制在气敏材料层内，在气敏材料层的表面和气敏材料层内均形成了强电场，提高了气体探测的灵敏度，在乙醇气体传感领域具有良好的应用前景。

Description

一种紫外增强室温乙醇气体传感器
技术领域
本发明涉及乙醇传感技术领域，具体涉及一种紫外增强室温乙醇气体传感器。
背景技术
半导体气体传感器具有灵敏度好、空间分辨率高、响应速度快等优点，受到广泛的关注。对于乙醇气体来说，乙醇气体与半导体表面的氧负离子反应时，生成水，不利于释放活性位点。研究者在叉指电极外设置加热装置，以移除半导体材料表面的水分子。另外，加热装置也增加了氧气分子与半导体材料之间的吸附。但是运行与高温状态下的半导体气体传感器具有运行安全性低、能耗高等诸多缺点。
近年来，研究者尝试了多种方法以实现室温条件下的气体传感，例如研究者对气敏材料表面功能化处理【Room temperature gas nanosensors based on individual andmultiple networked Au-modified ZnO nanowires,Sensors and Actuators B-Chemical,Vol.299,pp.126977,2019】、采用压电【Portable room-temperature self-powered/active H2 sensor driven by human motion through piezoelectricscreening effect,.Nano Energy,2014,Vol.8,pp.34,2014】、采用摩擦静电效应【Ultrasensitive flexible self-powered ammonia sensor based ontriboelectricnanogenerator at room temperature,Nano Energy,Vol.51,pp.231,2018】、光激发【The Response of UV/Blue Light and Ozone Sensing Using Ag-TiO2Planar Nanocomposite Thin Film,Sensors,Vol.19,pp.5061,2019】等方式替代了高温条件。在这些方法中，采用光激发具有应用方便的优点，并且LED光源具有成熟的技术，可供直接应用。但是，半导体材料往往对光的吸收较弱，不能够充分地利用激发光，导致大多数光激发半导体气体传感器在室温下的气敏灵敏度较高温下的气敏灵敏度低，限制了光激发室温半导体气体传感器的应用。
发明内容
为解决以上问题，即提高对激发光的应用，本发明公提供了一种紫外增强室温乙醇气体传感器，包括基底、叉指电极层、气敏材料层、贵金属颗粒层，叉指电极层置于基底上，叉指电极层包括多个相互平行且分离的叉指，气敏材料层置于叉指和基底上，贵金属颗粒层置于气敏材料层上。
本发明的核心构思是在贵金属颗粒层与叉指之间形成谐振腔，将激发光限制在气敏材料层内，在气敏材料层的表面形成强电场，一方面增加了氧气分子的活性，另一方面有利于水分子从气敏材料上脱附，从而提高了气体探测的灵敏度。
更进一步地，气敏材料层为钼酸铁。
更进一步地，贵金属颗粒层由分散的贵金属颗粒构成。
更进一步地，贵金属颗粒的材料为金。
更进一步地，贵金属颗粒的尺寸大于5纳米、小于20纳米。
更进一步地，叉指的材料为金。
更进一步地，基底的材料为氧化铝。
更进一步地，基底的表面设有平行的凹槽，叉指设置在凹槽内，叉指的上表面与基底的上表面齐平。
更进一步地，叉指由镀膜和打磨方法制备而得。
更进一步地，基底的底面设有紫外反光层。
本发明的有益效果：
(1)本发明在贵金属颗粒层与叉指之间形成谐振腔，激发光被限制在气敏材料层内，在气敏材料层的表面和气敏材料层内均形成了强电场，提高了气体探测的灵敏度。
(2)本发明将叉指镶嵌在基底内，所需要的气敏材料层较薄，而气体探测时，也主要改变的是气敏材料层表面的电阻，这样更提高了气体探测的灵敏度。
(3)本发明在基底的底面设置反光层，更充分地利用了激发光，有利于增强气敏材料层表面的电场，提高气体探测的灵敏度。
综合以上效果，本发明在乙醇传感技术领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种紫外增强室温乙醇气体传感器的示意图。
图2是叉指、气敏材料层、贵金属颗粒的示意图。
图3是气敏材料层表层和底层的等效电阻的示意图。
图4是又一种紫外增强室温乙醇气体传感器的示意图。
图中：1、基底；2、叉指电极层；3、气敏材料层；4、贵金属颗粒层；21、叉指；41、贵金属颗粒。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
本发明提供了一种紫外增强室温乙醇气体传感器，如图1所示，包括基底1、叉指电极层2、气敏材料层3、贵金属颗粒层4。基底1的材料为氧化铝，基底1的厚度大于0.5毫米、小于1毫米；叉指电极层2包括多个相互平行且分离的叉指21，叉指21的材料为金；气敏材料层3的材料为钼酸铁纳米结构；如图2所示，贵金属颗粒层4由分散的贵金属颗粒41构成，贵金属颗粒41的材料为金，贵金属颗粒41的尺寸大于5纳米、小于20纳米。叉指电极层21置于基底1上，气敏材料层3置于叉指21和基底1上，气敏材料层3覆盖叉指21和叉指21所暴露的基底1，贵金属颗粒层4置于气敏材料层3上。
应用时，在紫外光的照射下，首先在氧气或空气环境中测量气敏材料层3的电阻Ra；然后通入乙醇气体，测得气敏材料层3在乙醇气体环境中的电阻Rg，乙醇气体探测的灵敏度S为S＝Ra/Rg。
本发明的核心构思是在贵金属颗粒层4与叉指21之间形成谐振腔，将激发光限制在气敏材料层3内，在气敏材料层3的表面也形成强电场，另外，还增加了氧气分子的活性，有利于水分子从气敏材料上脱附，从而提高了气体探测的灵敏度。
应用丝网印刷法将气敏材料层3设置在叉指电极层2和基底1上，气敏材料层3的厚度小于10微米，应用较薄气敏材料层3，使得整个气敏材料层3的电阻相对变化更多，以便于提高乙醇气体传感的灵敏度。将气敏材料设置在叉指电极层2和基底1上的过程包括如下步骤：(1)将钼酸铁纳米结构粉体置入玛瑙研钵进行研磨，研磨的过程包括初步研磨和深入研磨，初步研磨使用研磨棒研磨，深入研磨时加入适量的松油醇进行湿磨，直至称为粘稠状，在本步骤中，通过改变松油醇的量，调节研磨后样品的粘稠程度，更进一步地调控最终所得到的气敏材料层3的厚度；(2)使用丝网印刷板将得到的糊状物，印刷到叉指电极层2上，糊状物均匀地涂覆在测试区域；(3)将印刷好的样品放入烤胶机，设定温度为320摄氏度，烘烤时间为2小时，使得样品中的有机溶剂充分挥发，测试区域仅剩余钼酸铁纳米结构，并且钼酸铁纳米结构与叉指21良好接触；(4)将得到的器件在400摄氏度下老化12小时，提高气敏材料层3的致密性，从而提高气敏传感器的稳定性，在本步骤中，气敏材料层3老化后，气敏材料层3的表面趋于平坦，对特定波段的紫外光能够更好地限制在由贵金属颗粒层4和叉指21构成的谐振腔内。
在气敏材料层3上制备金颗粒的方法采用滴加金溶胶的方法，具体步骤包括：(1)将制备好的器件(包括基底1、叉指电极层2、气敏材料层3)放置在加热台上加热，保持的温度为60摄氏度，保持的时间为30分钟；(2)应用移液枪将金溶胶滴加在钼酸铁纳米结构上；(3)提高加热台的温度至80摄氏度，保持1小时，以致于去除金溶胶中的水分；(4)将得到的器件在400摄氏度下再次煅烧12小时，以便于金颗粒与钼酸铁纳米结构紧密结合，形成异质结。
在本发明中，钼酸铁纳米结构的费米能级低于金纳米颗粒的费米能级，自由电子从金颗粒流向钼酸铁，直至钼酸铁和金颗粒的费米能级达到平衡，在金颗粒和钼酸铁之间的界面处形成势垒；在紫外光的照射下，金颗粒周围的局域电磁场被增强和气敏材料层3中的电磁场也被增强，加剧了钼酸铁纳米结构表面上光激发载流子的产生和分离，使得钼酸铁导带中的电子密度显著增加。在氧气或空气中，气敏材料层3表面吸附氧负离子，气敏材料层3的电阻增加；在乙醇气体中，乙醇气体与氧负离子发生反应释放电子，气敏材料层3的电阻降低。金颗粒的局域表面等离激元共振和气敏材料层3中的电磁场谐振加速了乙醇气体的表面吸附和解吸过程，提高了气体传感器的响应值。另外，在氧气或空气环境中，紫外光照射下产生的空穴可以有效清洁光敏材料层3表面，增加活性位点。
在本发明中，紫外光照射下，加剧了钼酸铁纳米结构中电子和空穴的分离，从而增加了气敏材料层3在氧气(或空气)和乙醇气体中的电阻变化，从而提高了乙醇气体探测的灵敏度。
当气敏材料层3置于氧气(或空气)和乙醇气体中时，气敏材料层3中载流子浓度发生较大变化的区域仅发生在气敏材料层3与氧气(或空气)和乙醇气体接触的表层，气敏材料层3表层的电阻(r)变化较大；气敏材料层3底层的载流子浓度发生较小的变化，气敏材料层3底层的电阻(R)变化较小。例如，在图1中，在水平方向上，相邻叉指21之间的气敏材料层3底层的载流子浓度变化较小，或者说电阻(R)变化较小。而相邻叉指21之间的总电阻是气敏材料层3表层和气敏材料层3底层电阻之间的并联，如图3所示。如果相邻叉指21测量到的仅为气敏材料层3表层(r)的电阻变化，这将使得电阻在氧气(或空气)和乙醇气体中的变化较大，从而提高乙醇气体探测的灵敏度。
基于以上考虑，优选地，基底1的表面设有平行的凹槽，叉指21设置在凹槽内，叉指21的上表面与基底1的上表面齐平。这样一来，所需要涂覆的气敏材料层3较薄即可覆盖叉指21。在氧气(或空气)和乙醇气体中，整个气敏材料层3的载流子浓度变化大，电阻也变化大，提高了乙醇气体探测的灵敏度。
应用刻蚀、镀膜和打磨的方法制备与基底1表面齐平的叉指电极，具体步骤包括：(1)抛光基底1，使得基底1具有光滑的表面；(2)应用电子束颗粒或者化学腐蚀的方法在基底1的表面制备凹槽；(3)应用物理气相沉积的方法在凹槽和基底1的表面镀金；(4)打磨基底1的表面，直至将基底1表面上的金膜均打磨掉，仅剩下凹槽中的金，形成与基底1表面齐平的叉指电极。
优选地，基底1的底面设有紫外反光层，紫外反光层的材料为熔石英或氟化钙，用以反射从表面入射的紫外光，在气敏材料层3内和金颗粒处形成更强的电磁场，在气敏材料层3内加剧电子和空穴的分离，提高乙醇气体探测的灵敏度。
综上所述，本发明提供了一种紫外增强室温乙醇气体传感器，包括基底1、叉指电极层2、气敏材料层3、贵金属颗粒层4，叉指电极层2置于基底1上，叉指电极层2包括多个相互平行且分离的叉指21，气敏材料层3置于叉指21和基底1上，贵金属颗粒层4置于气敏材料层3上。本发明在贵金属颗粒层4与叉指21之间形成谐振腔，激发光被限制在气敏材料层3内，在气敏材料层3的表面和气敏材料层3内均形成了强电场，提高了气体探测的灵敏度，在乙醇气体传感领域具有良好的应用前景。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于，包括基底、叉指电极层、气敏材料层、贵金属颗粒层，所述叉指电极层置于所述基底上，所述叉指电极层包括多个相互平行且分离的叉指，所述气敏材料层置于所述叉指和所述基底上，所述贵金属颗粒层置于所述气敏材料层上。
2.如权利要求1所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述气敏材料层为钼酸铁。
3.如权利要求1所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述贵金属颗粒层由分散的贵金属颗粒构成。
4.如权利要求3所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述贵金属颗粒的材料为金。
5.如权利要求4所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述贵金属颗粒的尺寸大于5纳米、小于20纳米。
6.如权利要求1所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述叉指的材料为金。
7.如权利要求1所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述基底的材料为氧化铝。
8.如权利要求1所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述基底的表面设有平行的凹槽，所述叉指设置在凹槽内，所述叉指的上表面与所述基底的上表面齐平。
9.如权利要求8所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述叉指由镀膜和打磨方法制备而得。
10.如权利要求1所述的紫外增强室温乙醇气体传感器，其特征在于：所述基底的底面设有紫外反光层。
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