[发明专利]一种基于管状SnO2

说明书

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，公开了一种基于管状SnO₂阵列的丙酮气体传感器及制备方法，利用模板原位牺牲法制的具有介孔的管状SnO₂材料；利用管状阵列独特的空心结构以及一维阵列的高度取向性性，有效地提高了传感器对CH₃COCH₃的敏感特性。本发明所采用的传感器结构是带有2个环形金电极的Al₂O₃绝缘陶瓷管、直接生长在电极和Al₂O₃绝缘陶瓷管表面的半导体敏感材料、以及穿过Al₂O₃绝缘陶瓷管的镍合金加热线圈组成。相较于传统涂覆工艺，此器件工艺简单，体积小，因而在检测环境中的CH₃COCH₃含量方面有广阔的应用并适合大规模生产。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，尤其涉及一种基于管状SnO₂阵列的丙酮气体传感器及制备方法。

背景技术

目前，丙酮在实验室和工业中被广泛用作通用试剂，一旦浓度高于450mg/m³时，由于其挥发性特性，可能对呼吸道和神经系统造成损害。为了工作和生活环境的安全，有必要通过一种快速，便捷的方法来监控丙酮的浓度。此外，丙酮是人类I型糖尿病的呼吸特征物。通过分析糖尿病患者呼气中的丙酮浓度，发现丙酮的呼出水平超过1.8ppm，而健康人的呼出丙酮水平为0.35-0.85ppm。因此，它为糖尿病的早期诊断提供了有价值的参考，可有助于患者得到及时治疗。因此，近年来高灵敏度和高选择性的丙酮传感器的发展引起了极大的关注。

二氧化锡(SnO₂)是一种众所周知的n型半导体气体传感材料，由于其较宽的带隙(E_g＝3.6eV)和良好的化学稳定性而被认为是最有希望进行丙酮监测的候选材料一。通常，气体传感器的性能受微观结构和形貌的影响。迄今为止，已成功开发出具有不同结构的SnO₂气敏材料，包括一维纳米纤维，二维纳米片和3D分层花状纳米结构。其中，一维SnO₂材料因其高的长径比和超高的比表面积而被视为最优越的纳米结构之一。一维SnO₂纳米管更是具有许多优势，例如更大的气体吸附和解吸表面积与体积比，以及更好的电子传输路径。值得注意的是，纳米管通常是通过模板法合成的，需要二次酸或碱蚀刻才能去除模板，蚀刻程度难以控制，既费时又不环保。因此，用简化的方法直接在氧化铝陶瓷管上合成SnO₂纳米管阵列仍然是一项挑战，以克服上述在气体传感应用中的不足。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)传统气体传感器的制造工艺很复杂。在传统的浆料涂覆制造工艺中，通常包括两个步骤，包括制备材料并将它们涂覆在氧化铝陶瓷电极上。并且在涂覆的过程中，有可能会破坏材料的固有纳米结构。而直接在氧化铝陶瓷管上生长敏感材料克服了传统浆料涂覆制造工艺的缺点。并且原位形成的有序一维阵列具有优异的感测性能，可以增强的电子的传输和气体的扩散，但现有技术没有利用此特点，造成传感性能差。

(2)大多数采用模板制备的一维管状材料都需要对模板进行后处理，同常会用

解决以上问题及缺陷的难度为：

本发明中，SnO₂一维阵列的形成需要两个条件：(1)在陶瓷管基底上预设合理厚度的ZnO的种子层；(2)SnO₂的管的形成和ZnO模板的原位刻蚀需要合理的溶剂浓度和精确控制反应时间。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明针对现有技术的缺陷进行了改进，一方面，原位生长的传感器克服了传统制备过程繁复的制备过程，大大提高生产效率；另一方面，本发明中的模板是在反应过程中原位刻蚀掉的，无需进行后处理，避免了使用酸碱的风险。

发明内容