[发明专利]具有超快响应特性的二氧化氮气体传感器元件的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于气体传感器的，尤其涉及一种基于三氧化钨多级纳米结构具有室温工作特性、超快响应速度的二氧化氮气体传感器元件的制备方法。

背景技术

现代社会的发展，工业废气的排放使得安全问题日益突出，PM2.5对人们身体健康的威胁也越来越受到重视，因此对可靠性气体检测要求越来越高，在生物、化工、医学和食品行业都需要具有高灵敏度、稳定性、选择性以及便携性等特征的二氧化氮气体传感器，这对环境保护和人体健康都具有重要意义。目前，许多半导体金属氧化物包括ZnO、In₂O₃、SnO₂、TiO₂和NiO等被广泛应用于二氧化氮气体的检测，其敏感机理均属于表面电阻控制型，对二氧化氮气体的检测是基于空气中的氧气和被检测二氧化氮气体在半导体金属氧化物表面吸附和反应对半导体材料的电阻调制过程。但这类二氧化氮气体传感器普遍存在工作温度较高、反应时间较长、气体选择性差等气敏特性问题，对气体传感技术的微型化、集成化、低功耗发展增加了许多复杂性和不稳定性，但是基于无线传感网络日趋成熟的今天，对于器件的低功耗与集成化的要求越来越强烈。

为了研发具有更高性能的二氧化氮气体传感器，研究人员一直通过研究新型材料的结构和组成来不断改善气敏传感器的敏感性能，例如表面改性、形成复合氧化物、制备异质结构的纳米材料等。特别是近年来人们对金属氧化物半导体三氧化钨的广泛研究，发现其对二氧化氮具有很好的敏感特性，尤其是基于一维纳米棒、纳米管、纳米线和和二维纳米片自组织形成的多级氧化钨纳米结构，呈现出多孔、疏松状微结构特征，因而具有更高的比表面积，这种疏松的结构使得气体自由进出纳米材料更容易实现，同时其组元结构的低维尺寸与德拜长度相比拟从而可以获得更高的灵敏度、更好的选择性和更低的工作温度，为其在高性能二氧化氮气体传感器的应用提供了更加广阔的舞台。然而，基于先前科研工作者研究发现其最佳工作温度较高，通常在150℃左右，不利于低功耗器件的研究，而且绝大多数气敏元件采用二次转移工艺，即气敏材料的合成、分散，以及转移到气敏传感器衬底，最后通过热处理形成气敏元件，这样的二次转移工艺难以使纳米结构气敏材料的敏感性能得到充分发挥，而且由二次转移而形成的气敏薄膜与电极之间电学接触的可靠性难以保证，从而影响气敏元件的性能稳定性和可靠性，此外，复杂的工艺过程也不利于器件的小型化、集成化。

发明内容

本发明的目的，在于克服目前三氧化钨基二氧化氮气体传感器工作温度偏高、响应速度较慢、传感器的二次转移制备工艺对器件气敏性能的不利影响，提供一种以种子层诱导生长途径实现传感器基底表面三氧化钨多级纳米结构的直接原位组装，形成具有室温工作特性、超快反应速度的三氧化钨基二氧化氮气体传感器元件的制备方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

具有超快响应特性的二氧化氮气体传感器元件的制备方法，具有以下步骤：

（1）制备传感器叉指铂电极

将氧化铝传感器基底先后在丙酮溶剂、无水乙醇、去离子水中超声清洗并彻底烘干后置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，以高纯金属铂作为靶材，以氩气作为工作气体，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率80～90W，溅射时间8～10min，基底温度为室温，在氧化铝表面形成叉指铂电极；

（2）制备种子溶液

将钨酸钠溶于15ml的去离子水中，磁力搅拌使之全部溶解，逐滴加入稀盐酸，直至不再产生沉淀，随后，加热溶液至40℃，并滴加2ml H₂O₂进入溶液，继续搅拌，沉淀溶解形成浓度为0.2M～0.5M黄色透明的钨酸钠种子溶液；

（3）制备种子层

将步骤（2）制备的钨酸钠种子溶液涂覆到步骤（1）制备的覆有叉指电极的氧化铝传感器基底上，然后置于退火炉中，在空气气氛下退火处理，退火温度为500～600℃，保温时间2～3h，升温速率为2-3℃/min；

（4）制备水热反应溶液

配制0.06M～0.1M的钨酸钠溶液，将钨酸钠溶于去离子水中，磁力搅拌至全部溶解，加入0.08M～0.15M氯化钾，再加入模板剂P123即三嵌段共聚物，形成均一的胶状溶液，逐滴加入稀盐酸，使溶液的pH控制在2.1～2.5，形成乳白色均一的钨酸钠溶液；

（5）制备三氧化钨多级纳米结构