[发明专利]基于氧化锌纳米线阵列的兰克赛体声波高温气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温气体传感器，具体涉及一种基于氧化锌半导体纳米线阵列的兰克赛体声波高温气体传感器及其制备方法和应用。

背景技术

由于日益增长的环境保护和提高能源利用率的要求，对高温废气（汽车尾气、电厂废气）的检测和监控也越来越严格，因此可用于高温气体检测的传感器越来越受到人们的重视。同时为了更好的实现实时监控，传感器被要求安装在汽车、电厂的废气排放系统内部，但这些系统内部往往温度较高，工作条件恶劣，不利于使用传统的化学、光学等气体传感器。 利用氧化物薄膜作为检测层的体声波气体传感器由于灵敏度高、结构简单、便于操作的优点而得到广泛的关注。

兰克赛（Langasite, LGS）压电晶体，由于在高温方面表现出优异的物理和化学性能，成为体声波高温气体传感器的有力候选对象。在过去的十几年里，美国、欧洲和日本等国在LGS压电晶体的表面声波和体声波气体传感器领域进行了相关研究并取得一定进展。

近年来纳米技术的出现对气体传感器的发展产生了巨大的影响。和传统的以平面薄膜结构为检测层的传感器相比,最新的传感器采用三维立体纳米结构作为检测层，如纳米线阵列、含有纳米尺寸孔隙的薄膜、纳米粒子等。这种结构的传感器，由于纳米尺寸效应，极大的增加了检测面积和绑定吸附的能力，因此具有更快的响应速度和更高的灵敏度。氧化锌是一种N型金属氧化物半导体材料，由于较高的化学稳定性、较低的成本和在制备中的灵活性，在气体检测中得到广泛的应用。

最近，基于氧化锌纳米结构的气体传感器在有毒和可燃气体检测方面得到深入研究，研究结果显示灵敏度和精度均得到巨大提高。然而现阶段国内外研究都还仅仅局限于兰克赛声波气体传感器或者氧化锌纳米气体传感器本身,而没有将二者有机的结合起来。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于半导体纳米线垂直阵列的高温气体传感器。

本发明的目的之二在于提供上述的一种基于半导体纳米线垂直阵列的高温气体传感器的制备方法。

本发明的目的之三在于将上述的一种基于半导体纳米线垂直阵列的高温气体传感器用于高温气体含量的检测。

本发明的技术原理

一种以氧化锌纳米线阵列为检测层的兰克赛纳米体声波高温气体传感器，即以ZnO纳米线阵列作为敏感材料，感应高温气体，引起兰克赛压电晶体体声波谐振频率的变化，通过外部设备监控频率的变化，实现对高温气体的测量。

本发明的技术方案

一种基于半导体纳米线垂直阵列的高温气体传感器，包括：

一片厚度方向振动的兰克赛谐振晶体

一层厚度为10nm的半导体薄膜，所述的半导体薄膜优选为ZnO薄膜；

一个半导体ZnO纳米线阵列；

以及两片100nm厚Au电极；

两片100nm厚 Au电极采用MEMS工艺分别制备在厚度方向振动的兰克赛谐振晶体的上、下表面，其中，厚度为10nm的半导体薄膜生长在厚度方向振动的兰克赛谐振晶体的上表面的Au电极上，半导体ZnO纳米线阵列贯穿厚度为10nm的半导体薄膜并垂直生长在位于厚度方向振动的兰克赛谐振晶体的上表面的Au电极上。

上述的一种基于半导体纳米线垂直阵列的高温气体传感器的制备方法，具体步骤如下：

上述的一种基于半导体纳米线垂直阵列的高温气体传感器的制备方法，具体步骤如下：

（1）、在直径为10mm 的厚度方向振动的兰克赛谐振晶体的上、下表面采用MEMS工艺分别制备出厚度为100nm 的Au电极；

（2）、ZnO半导体薄膜2的生成：

将0.005M的醋酸锌乙醇溶液滴到厚度方向振动的兰克赛谐振晶体上表面的Au电极的表面，并使0.005M的醋酸锌乙醇溶液均匀铺开，保持10s后用氮气吹干，然后将厚度方向振动的兰克赛谐振晶体放入到温度为350℃的马弗炉中，加热20min后拿出自然冷却到室温，此时在厚度方向振动的兰克赛谐振晶体的Au电极的表面生成一层氧化锌晶种；

重复上述步骤一次，保证氧化锌晶种均匀分布在整个Au电极的表面，即得厚度为10nm的ZnO半导体薄膜；

（3）、氧化锌纳米线阵列的生成：

将步骤（2）完成ZnO半导体薄膜的生成的厚度方向振动的兰克赛谐振晶体浸入25mM硝酸锌、25mM六次甲基四胺和5mM聚乙烯亚胺的水溶液中，并放入温度为90℃真空干燥箱中，生长3h，生长完毕后取出用去离子水漂洗，并用氮气吹干，放入到温度为400℃的马弗炉中，加热30min，即完成氧化锌纳米线阵列的生成；