[发明专利]一种基于宏观尺度ZnO单晶材料的气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于宏观尺度ZnO单晶材料的气体传感器，具体涉及一种在叉指型金属电极上粘附的宏观尺度ZnO单晶材料作为传感导电体的气体传感器，该传感器通过被测气体在传感导电体表面的物理吸附使得传感导电体电阻变化，来检测不同气体及该气体浓度，属于传感器制造的技术领域。

技术背景

气体传感器通常用来检测气体中的特定成分，用来对有毒、有害气体进行检测，对易燃易爆气体进行安全警报，对要了解的气体进行检测、分析和研究等。目前工业化生产使用的气体传感器主要有两种类型。一种是基于电化学原理的气体传感器；另一种是以半导体氧化物材料作为传感导电体的气体传感器。一般说来作为传感导电体的材料微粒粒度越小，比表面积越高，传感器于众位气体的接触而发生的相互作用也越大，敏感度也越高。由于纳米材料具有巨大的表面积，其表面能吸附大量的气体分子，因此使得用纳米材料制备的传感器具有很高的灵敏度。目前国际上已有采用单根纳米线和大量纳米线薄膜作为传感导电体的报道(Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection ofbiological and chemical species，Science，(2001)293，1289；Fabricationand ethanol sensing characteristics of ZnO nanowire gas sensors，AppliedPhysics Letters(2004)84，3654；Room temperature gas sensing of p-typeTeO2 nanowires，Applied Physics Letters(2007)84，3654；)。但上述这些传感器在实际生产中将纳米线连接在导电电极两端的主要方法是采用原子力显微镜(AFM)或是将大量纳米线溶于有机溶剂如丙酮中，再将其滴到电极上，这些方法操作复杂或者随机性较大，不适合大量生产。针对这一情况，本发明提出一种直接用导电银浆连接气敏材料和金属电极的气体传感器，该气敏材料采用具有宏观尺度的ZnO单晶材料，其由大量定向纳米杆自然生长而成，外形在宏观尺度，而又具有纳米材料特性，因此操作方面，灵敏度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，灵敏度高，成本低廉的基于宏观尺度ZnO单晶材料的气体传感器。

本发明提供的基于宏观尺度ZnO单晶材料的气体传感器包括：基底、金属电极层、传感导电体和外接电路，其中传感导电体为宏观尺度ZnO单晶材料，通过热蒸发法大规模生产的宏观尺度ZnO单晶材料，该材料由直径为60～800nm的ZnO纳米杆自然生长而成，将其用银浆粘在金属电极层上。

所述的基底，其表面具有高绝缘性，可以是玻璃、也可以是石英片或者硅片；当使用硅片做基底时，硅片表面要氧化一层SiO₂作为绝缘层。

金属电极层设置在基底上，是通过丝网印刷工艺将银浆在绝缘基底上印出金属电极图案，然后将金属片或金属丝按照图案粘附在银浆上，电极的厚度为1～3mm，电极间距为1mm。

本发明提供的基于宏观尺度ZnO单晶材料的气体传感器，为使得金属电极和作为传感导电体的宏观尺度ZnO单晶材料充分接触，提高传感其性能，可以将金属电极的阳极和阴极设计成叉指状，如阳极设计成“口”字缺少右边一竖，同时阴极设计成“口”字缺少左边一竖，再将两电极相互嵌入对方缺口，但须保证电极间距为1mm。当然，这里阳极和阴极的涉及完全可以相互交换。按照这一原理还可以将阳极和阴极由多个“口”字重叠而成且分别缺少左边一竖和右边一竖，并互嵌入对方缺口，但须保证电极间距为1mm。另外，本发明提供的基于宏观尺度ZnO单晶材料的气体传感器，为使得金属电极和作为传感导电体的宏观尺度ZnO单晶材料充分接触，提高传感其性能，可以将作为传感导电体的宏观尺度ZnO单晶材料设计成树枝状，且每根ZnO单晶材料均和阳极和阴极接触，从而增加了金属电极和作为传感导电体的宏观尺度ZnO单晶材料充分接触。

本发明的优点：

1、本发明的制备方法是可以在宏观条件下手工完成，无需借助微纳米观测和操作仪器，所采用的传感导电体是可以大规模生长的宏观尺寸的ZnO单晶材料，简单易行，重复性好，原料容易得到，制备成本低廉，非常适于用来制备大量的ZnO气体传感器。