[发明专利]一种TiO2薄膜光助气敏元件及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于气敏传感器领域，具体涉及用原位生长法制备TiO₂薄膜气敏元件，以促进其在紫外光作用下对特定气体的气敏响应性能。

背景技术

随着科技现代化的发展，环境污染日益加剧，采用绿色环保的方式监测一些有毒有害气体，对预防有害气体危害人们健康有着重要的意义。气敏传感检测或许是一种比较高效环保的一种可行的手段。目前已经有许多研究人员用气敏的手段来检测像CO、H₂、CH₃OH、NH₃、NO₂、H₂S等等这类气体，气敏传感器作为一种比较便捷绿色的设备也被大量研究，它是一种气敏材料对特定气体做出的感应，并将其转化成电信号，以此来检测气体的含量的传感器。半导体金属氧化物传感器是气体敏感传感器中的一类，它在灵敏度、响应时间、结构设计方面上，有着很大的优势。在实际应用中，由于使用方便、体积小巧、成本低廉、易于普及等优点，已经成为了当今的研究热点。应用较多的气敏材料主要是一些n或p型的金属氧化物，例如：TiO₂，ZnO，SnO₂，In₂O₃等。然而，这些热气敏材料依然存在不足，比如使用温度高、导电率低、重复性差，易受环境温湿度影响、长期稳定性差和气体选择性不好等。由于半导体材料在一定波长的光照作用下可发生光响应而产生光生载流子，光照应可有效提高半导体材料的气敏响应性能，其关键在于如何制得制备性能稳定的、具有光响应的半导体气敏元件。目前，常规的气敏元件大多以金叉指电极片为基底，一般通过滴覆法、旋转涂膜法、丝网印刷法或模板法在其表面负载半导体材料。但这些方法需要分两步实现（先制备出粉体材料、然后再制膜），导致制备过程较为复杂，而且制得气敏元件稳定性较差、重复性较低。

发明内容

针对上述现有制备气敏元件技术的不足，本发明的目的在于提供一种简单的一步合成法制备二氧化钛半导体气敏元件，方法简单、反应条件温和、快速易行，制得TiO₂气敏元件的光助气敏性能稳定、重复性好，具有较好的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

先用去离子水、乙醇，超声洗涤金叉指电极片，然后浸泡在piranha solution (体积比：30%双氧水:98%硫酸 = 1：1 ~ 1：3) 3小时，取出将电极片表面清洗干净，以增强表面的亲水性，并用去离子水清洗，烘干。将烘干的电极片浸渍在前驱体溶液（体积比：钛酸异丙酯:乙醇=1:5~ 1：20）中，2min后取出放在平滑的桌面，电极片表面快速水解得到TiO₂膜。最后，将电极片置于马弗炉中升温（升温速率为1-3℃/min）至300-600℃下煅烧0.5-3小时，制得二氧化钛薄膜气敏元件。

制得的气敏元件在紫外光照下，室温就可表现出对H₂和丙酮的气敏响应。

本发明的效果和优越性在于：

与常规的两步法制备二氧化钛薄膜气敏元件相比，本发明的原位生长法一步合成TiO₂薄膜，方法简单、反应条件温和、易于控制，薄膜结构稳定性好，其在紫外光作用下室温具有良好的气敏响应稳定性和重复性，从而提高紫外光助气敏响应，大大提高了光助气敏测试的重复性。

附图说明

图1 为TiO₂气敏元件膜制备流程图。

图2为实施例1所得的TiO₂膜的XRD谱图。

图3为实施例1所得的TiO₂膜的SEM图。

图4为实施例1所得的TiO₂气敏元件和滴覆法制备的TiO₂气敏元件室温下在氮气中对H₂的紫外光助气敏响应性能比较。

图5为实施例1所得的TiO₂气敏元件和滴覆法制备的TiO₂气敏元件室温下在氮气中对丙酮的紫外光助气敏响应性能比较。

图6为实施例1所得的TiO₂气敏元件和滴覆法制备的TiO₂气敏元件室温下在空气中对H₂的紫外光助气敏响应性能比较。

图7为实施例1所得的TiO₂气敏元件和滴覆法制备的TiO₂气敏元件室温下在空气中对丙酮的紫外光助气敏响应性能比较。

具体实施方式