[发明专利]一种用于低浓度氮氧化物检测的气敏传感薄膜及制备方法

说明书

本发明涉及高性能气敏材料领域，具体涉及用于检测低浓度氮氧化物的气敏传感薄膜及其制备方法。本发明的一种用于低浓度氮氧化物检测的气敏传感薄膜通过如下方法制备得到：将清洗并烘干后的多孔氧化铝基底摩擦粘附硫酸钙晶须，然后置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，在多孔氧化铝基底之上溅射沉积多孔氧化钨薄膜；将得到的多孔氧化钨薄膜浸入酞菁铜和N，N‑二甲基甲酰胺、聚氨酯的分散液中，真空干燥后即得以多孔氧化铝为基底的酞菁铜/多孔氧化钨复合薄膜。本发明制备得到的酞菁铜/多孔氧化钨复合气敏传感薄膜具有大的活性比表面积，检测低浓度氮氧化物气体时在选择性、灵敏度和检测质量等方面均有大幅的提高。

技术领域

本发明涉及高性能气敏材料领域，具体涉及用于检测低浓度氮氧化物的气敏传感薄膜及其制备方法。

背景技术

随着环境保护日益收到重视，气敏传感器作为一种监测各类环境中气氛的有效方式也受到了广泛的研究。气敏传感器是一种能够感知环境中某种气体及浓度，且将气体种类与浓度的相关信息转换成电信号，达到监控、分析、检测、报警的装置或器件。今年来，气敏传感器广泛应用于食品安全（变质及细菌污染食品）、过程控制（食物、医药生产）、临床诊断（人体呼吸气氛监控及排泄物气味检测）等一系列重大需求领域中，是国家重点支持的发展领域之一。

常见的气敏传感器为金属氧化物半导体型、有机聚合物型、催化材料型、声学传感器型及红外传感器型。其中金属氧化物半导体型气敏传感器因具有成本低、响应快等一系列优势而一直被广泛关注。对于材料体系，在目前的研究中，二氧化锡、氧化锌、氧化铜、三氧化钨、氧化镍等二元金属氧化物半导体材料被广泛应用于气敏材料。该类型材料制作而成的气敏传感器具有较好的敏感度和较快的响应时间，但存在一个重要问题为选择性低。这是因为该材料与气体分析进行响应时所展现的机理为一种广谱响应的模式，即该类型材料对多种气体对多种气体分子都有响应。为了解决此类问题，通常采用对金属氧化物半导体材料进行改性的方式，具有的做法有贵金属修饰、多种金属氧化物半导体材料复合及有机半导体材料修饰改性等方法。就三种方式而言，有机半导体材料修饰改性的方式具有操作简单、效果明显及成本低等明显优点而被重点研究。

氧化钨是一种宽禁带n型半导体材料，在气敏传感器、光电器件以及光催化等领域有广泛的应用，尤其是作为一种高性能气敏材料，可广泛应用于各种毒性和危险性气体 如NO_x、H₂S、Cl₂、NH₃ 等的高灵敏度探测。

传统氧化钨材料的工作温度较高，通常为250℃以上。尽管采用准一维纳米结构氧化钨可适当降低其工作温度，然而，准一维氧化钨纳米线或纳米棒材料的最佳工作温度仍维持在200 ℃左右，这就为低功耗集成化微小型化传感系统的开发增加了复杂性和不稳定性，而且，氧化物传感器长时间工作在高温下会使敏感薄膜的微结构逐渐发生改变，敏感薄膜结构逐渐趋于致密，气体向膜内部的扩散变得困难，导致器件读出响应发生长时间漂移，使传感器的长期工作稳定性变差，对低浓度的氮氧化物其他检测也不灵敏。

在气敏传感器材料领域中，酞菁铜作为一种p型半导体，当酞菁薄膜与氧化性氮氧化物气体接触时会发生电荷转移，π电子离域到气体分子平面而趋于稳定，削弱了与酞菁配合物中产生的正电空穴之间的库伦引力，使空穴载流子在π轨道组成的导电通道中进行传递和输运，引起电导的增加。因此酞菁铜薄膜对氮氧化物表现出灵敏性酞菁材料主要的用于检测 NO₂，单独的酞菁铜（CuPc）作为敏感薄膜材料制作出的SAW器件选择性低，工作温度高，适用价值不高。选择特性和高温不仅影响传感器测量的稳定效果，而且会带来额外的功率损耗等问题，所以能够制作出在常温下快速，灵敏的检测低浓度的气体传感器显得特别的重要，这也给膜的制作提出了更高的要求。因为CuPc作为几种常见的检测NO₂气体传感器中的敏感膜材料，在高温下对低浓度的 NO₂ 气体响应比较大，灵敏度较高。

发明内容