[发明专利]一种薄膜芯片气体传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气敏材料与元件技术领域，具体是涉及一种薄膜芯片气体传感器的制备方法。

背景技术

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，目前已有的气体传感器种类繁多，按所用气敏材料及其气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式等。

传统的半导体电阻式气体传感器常采用金属氧化物（如 SnO₂、ZnO、TiO₂ 等）为气敏材料，具有测量方式简单、灵敏度高、响应快、操作方便、便携性好、成本低等特点，但该类气体传感器在实际应用中必须加热到较高的工作温度（200 ～ 600℃），功耗较大，降低了传感器的便携性，而且还增加了安全隐患，使其应用受到很大限制。近年来，利用纳米材料的特殊活性实现室温气体传感器正成为研究的热点与重点，在将传统气敏材料做成纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带等特殊结构的同时也涌现出了石墨烯、碳纳米管、硅纳米线等新型室温气敏材料。

此外，鉴于柔性器件的诱人应用前景，已有研究者利用石墨烯、碳纳米管所具有的大比表面积和低温成膜工艺特点，在 PET、PI甚至纸衬底上成功制备出室温柔性气体传感器。

例如，2009年美国麻省大学洛威尔分校报道将氧化石墨烯喷墨打印在PET衬底上成功实现室温下对NO₂的检测，不足的是需要在254nm紫外光的照射下方可恢复，极大地降低了传感器的便携性能 ；2012 年该该课题组又报道将碳纳米管在纸上喷墨打印成膜，室温下对100ppm的NO₂和Cl₂的灵敏度分别为2.4和2.7，然而其过长的响应和恢复时间（3-5分钟，7-12 分钟）仍不利于实际监测。

胶态量子点采用胶体化学法制备，是一种用有机配体分子包裹正在生长的量子点的表面以控制粒子团聚的湿化学方法。与普通纳米材料相比，具有尺寸可控且均匀性好、活性高、物化特性可控、易于表面修饰、室温成膜与柔性衬底兼容性好等特点，是制备室温柔性气体传感器的新型理想材料。胶态量子点气体传感器的研究最早可追溯到2001年，研究者将市售的 Sb 掺杂 SnO₂ 胶态颗粒悬浮液以旋涂的方式在 SiO₂ 衬底上成膜，制作出电阻式甲醇气体传感器，工作温度低至 150℃。然而，该器件仍需要在高温（500℃）热处理，导致真实器件中的颗粒尺寸高达数十纳米，不利于充分发挥胶态量子点气敏材料的特点。之后，胶态量子点气体传感器研究中主要采用胶态量子点与有机聚合物的混合物为气敏材料，使之能够在室温下成膜，因此胶态量子点的颗粒尺寸得到了较好的保持。但是，由于分散在电导率低的有机聚合物分子网络中，胶态量子点对气体的吸附活性及其之间的电子传输受到限制，导致该类传感器在室温下的气敏性能并不理想，因此工作温度然较高。此外，除了电阻式气体传感器，利用胶态量子点光致发光（PL）变化的室温气体传感器也受到研究者的关注，但后者在便携性方面无法与电阻式气体传感器相媲美。

申请号 201310634216.9公开了一种种半导体电阻式气体传感器及其制备方法。制备方法包括如下步骤：（1）将半导体胶态量子点溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；（2）用短链配体溶液处理量子点薄膜 ；（3）去除残余的短链配体及其副产物 ；（4）多次重复执行步骤（1）至步骤（3），得到具有所需厚度的半导体胶态量子点薄膜，完成气体传感器的制备。上述方法中，也可以直接在绝缘衬底上成膜，在最后得到的半导体胶态量子点薄膜上制备电极。气体传感器包括绝缘衬底、电极和气敏层，气敏层为半导体胶态量子点薄膜。当用于检测敏感温度较低的危险气体时，该气体传感器的灵敏度不够高。

申请号 201410285080.X公开一种薄膜芯片气体传感器及其制备方法。本发明的芯片包括一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，再镀有无序性贵金属膜系，最后镀上点电极，将整个结构置于一个单开口的封闭的盒子，当气体通过封闭盒子，在贵金属系作为催化剂的作用下，气体在金属表面发生催化反应，放出的能量传递给金属中的电子，金属中具有高能量的电子跃迁经过金属和半导体的界面形成电流，利用检测电流信号的大小以及相对变化来实现某种气体以及含量的检测。当用于检测敏感温度较低的危险气体时，在较低温度的情况下，该方法制得的气体传感器的灵敏度不够高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高传感器的灵敏度、降低传感器工作温度的气体传感器的制备方法。