[发明专利]一种混杂贵金属掺粒子和金属氧化物薄膜的集成气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体检测传感器领域，具体涉及一种混杂贵金属掺粒子和金属氧化物薄膜的集成气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着国民经济的发展与提高，在工业生产与日常生活中，人类的活动排放了大量的有毒有害气体，使得环境日益恶化，严重影响了人类的健康。与此同时，人类对环境中有毒有害气体的防范意识也越来越受到重视。例如，家居环境中的甲醛含量会导致慢性呼吸道疾病；可燃性气体的泄露可能会导致爆炸和火灾；汽车尾气的排放与有机物的燃烧导致严重的雾霾，工业特别是化工工业排放的有毒气体都对人类的生存环境构成了严重威胁。由于各种生活环境和工业环境排放的气体种类也不一样，对这些环境中气体（CO，H2，H2S，NOx，甲醛，乙醇，甲烷等）的精确检测尤为重要，所以制备具有高灵敏度和优良选择性的气体传感器是气体传感器设计应用的关键。与此同时，鉴于在环境检测和监测中需要布置大量的气体传感器构成网络对各种气体同时进行测量，这要求气体传感器必须能够长时间工作，这样微型化，低功耗，阵列式薄膜气体传感器发展已经成为气体传感器产品的发展方向。

按照气体传感器的气敏材料和气敏特性的不同，可分为电阻式金属氧化物半导体薄膜、非电阻式金属氧化物半导体薄膜、接触燃烧式气体传感器、光学式气体传感器、石英谐振式气体传感器、电化学式。非电阻式金属氧化物半导体薄膜气体传感器主要包括MOS场效应管型气体传感器和二极管型气体传感器等，晶体管型气体传感器的工作原理是吸附在金属与半导体界面间的气体使得半导体禁带宽度或金属的功函数发生变化，通过半导体整流特性的变化来判断气体浓度的大小，主要用于检测还原性气体，如氢气、甲烷等。但是由于其稳定性差，为得到广泛应用；接触燃烧式气体传感器是利用气体浓度与被检测气体进行的化学反应中产生的热量的关系进行检测，由于是燃烧式，这种传感器只对可燃性气体敏感，而且对低浓度的可燃性气体灵敏度低，催化剂对气敏元件的中毒现象较为严重；光学式气体传感器主要以光谱吸收型为主，根据不同的气体物质的分子结构不同、浓度不同和能量分布的差异而产生不同的吸收光谱，根据光谱的不同鉴别气体的种类与含量，主要用于检测CO、CO₂、含硫氧化物和氮氧化物。该传感器虽然灵敏度高，但是由于制造成本高，不适合广泛应用；石英谐振式气体传感器的气敏元件主要由石英基片、金电极和支架三部分组成。其电极上涂有一层气体敏感膜，当被测气体分子吸附在气体敏感膜上时，敏感膜的质量增加，从而使石英振子的谐振频率降低，根据谐振频率的变化量与被测气体的浓度关系，可判断气体浓度大小，可检测NH3、SO2、HCi、H2S、醋酸蒸气等。但是该类传感器选择性差，产业化还需时日； 电化学型气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，其原理是使电极与电解质溶液的界面保持恒定电位电解，通过改变设定电位，有选择性的使气体发生氧化还原反应，从而能够定量且定性检测各种气体。电化学传感器主要用于检测可燃性气体和有毒有害气体，如H₂S、CO、SO₂、Cl₂等。但是电化学传感器存在两点局限，一是干扰气体的存在也会对电解液的信号产生干扰，一定程度上造成检测的偏差；二是电化学气体传感器的寿命较短，因其传感器探头的寿命一般只有两年左右。