[发明专利]一种以FTO导电玻璃为电极元件的ZnO纳米簇气敏传感器

说明书

本发明涉及一种以激光刻蚀处理的FTO导电玻璃为电极元件的ZnO纳米簇气敏传感器，属于气体传感器技术领域。本气敏传感器由气敏电极元件和气敏材料两部分构成，其特征是：所述气敏电极元件是通过对FTO导电玻璃进行特定图案和线宽的激光刻蚀处理所得，其中刻蚀图案为叉指状，叉指条纹宽度为300~500μm，叉指条纹间距为20~80μm；所述气体敏感材料为六方纤锌矿结构的ZnO纳米簇阵列，纳米线的直径为70~100 nm，长度为2~3.5μm。本发明所述FTO气敏电极元件具有成本低、稳定性好、易于气敏材料原位生长等优点；所述传感器具有成本低廉、工艺简单、气敏性优，稳定性好等诸多优点，对乙醇、甲醇、硫化氢等气体展现出优异的响应能力，是一种极具发展与应用前景的新型气敏传感器。

技术领域

本发明涉及一种以光刻处理的FTO导电玻璃为电极元件的ZnO纳米簇气敏传感器，属于气体传感器技术领域。

背景技术

众所周知，过量的有毒有害和易燃易爆气体会造成严重的环境污染并危害人类健康。目前，因有毒有害和易燃易爆气体引发的重大事故屡见不鲜，现已造成大量的人员伤亡和财产损失。如何实现对危险气体的实时监测，进而避免潜在安全事故的发生，并为危险气体的后续处理提供前期保障，现已成为当前社会所面临的重大难题与技术挑战。

近年来，基于半导体金属氧化物材料的化学电阻式气敏传感器因其生产成本低、制作工艺简单、测试手段灵活、灵敏度较高等优点，在工业制造、家庭生活公共安全检测等领域得到了广泛的开发与应用。但基于日益提升的应用需求，现有气敏传感器的灵敏度还有待提高，新型气敏电极元件及气敏材料亟待发掘。目前，人们基于化学电阻式气敏传感器的工作原理：通过测量材料表面的电子和周围环境中的目标气体发生氧化还原反应导致的电阻变化来间接检测目标气体的浓度，在气敏电极元件的开发及气敏材料的尺寸、形貌及结构调控等方面开展了诸多工作，如开发了贵金属的银（Ag）电极气敏元件、制备了比表面积较大的多孔、花状、核壳等结构的TiO₂、ZnO、SnO₂气敏材料等，以提升气敏传感器的灵敏度与使用寿命。然而，现今常用的Ag电极元件尚存成本高、易氧化、稳定性较差等缺点，特别是很难在其表面实现气敏材料的原位生长与检测应用。此外，气敏材料通常需要通过分散研磨、手动涂膜至Ag电极表面、煅烧老化等处理，才能进行气敏特性的检测与应用。但在这个过程中，研磨通常会导致材料形貌的破坏、手动涂膜通常会导致材料的厚度不均且与电极的接触不好、煅烧会导致材料的团聚及Ag电极的表面氧化等，这些问题的出现都会严重影响气敏器件的性能，显著降低其气体测量的精度与使用寿命。

针对上述问题，开发成本低且性能稳定的气敏电极元件，并在此基础上实现气敏材料在电极元件上的原位生长，是进一步提升气敏器件灵敏度与使用寿命的关键。FTO导电玻璃，其导电面为一层F元素重掺杂的二氧化锡薄膜，具有良好的导电性、稳定性和结晶性，常被用于纳米材料的生长基底，是低成本、稳定气敏电极元件制备的良好选择。结合理论模拟与实验分析，对FTO导电玻璃进行适合的叉指状激光刻蚀，使其形成检测所需的断路状态与电极分布，便能够用作于气敏传感器的电极元件。更为重要的是，基于FTO导电玻璃气敏电极元件，可实现多种纳米气敏材料的原位生长，进而实现气敏材料的原位检测与应用，从而显著提升气敏传感器的检测精度与使用寿命。ZnO作为一种典型的半导体材料，具有突出的气敏特性（响应快、灵敏度高、多种气体响应等），且制备工艺简单（如水热法）、成本低廉、形貌可控（如纳米线、纳米管、纳米棒等），是一种非常优异的气敏材料。因此，本发明以光刻处理的FTO导电玻璃为气敏电极元件，并在此基础上原位生长了ZnO纳米簇阵列，进而获得成本低、精度高、性能优、稳定性好的气体传感器。

发明内容