[发明专利]一种基于晶相改进的CdSnO3

说明书

一种基于晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。其由带有金电极的陶瓷管衬底，涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的经过晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料和置于陶瓷管内的镍铬加热线圈组成。本发明开发出了具有较高响应值、较快的响应时间和恢复时间、以及较低空气基线电阻的高性能的丙酮气体传感器，检测下限可以达到0.5ppm，响应/恢复时间为1s/10s。另外在最佳工作温度下，传感器的电阻低至6.4kohm，便于集成，在环境监测方面具有良好的应用前景。本发明制作的丙酮气体传感器制作工艺简单，制备方法步骤简便，成本低廉，适合工业上批量生产。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

背景技术

当今时代，科技飞速发展，对工业水平的要求也越来越高。在工业生产中所需要的一些如甲醇、苯等VOC气体有泄露风险，不但会污染环境，还可能会对人体造成危害。同时，家庭装修产生的有害气体也存在着危害人们生命财产安全的风险。丙酮是工业生产中所需的重要原料，它易燃易挥发，泄露容易造成事故，且会对人体造成健康危害。所以实用高效的丙酮气体传感器是当今的研究热点。目前监测丙酮气体的主要方法有气相色谱法、比色法和半导体传感器法等。其中，气相色谱法具有很高的响应值，且对丙酮气体的选择性也很好，但检测仪器操作复杂且体积较大。比色法操作相对简单，但无法实现连续检测。相比之下，半导体传感器可以实现连续检测，且其体积相对较小，操作简便。但是目前尚存的不足之处是传感器的响应值、响应时间、恢复时间及检测下限这几个重要指标较难兼具，且很多以金属半导体氧化物为基的气体传感器在其最佳工作温度下的空气基线电阻较高，达到Mohm级别，较难集成进电路中。Yu等人制造的SnO₂基丙酮气体传感器对100ppm丙酮气体的相应/恢复时间为5s/34s，检测下限为1ppm，在最佳工作温度下空气基线电阻为超过40Mohm^[1]；Liu等人制造的ZnO基丙酮气体传感器对100ppm丙酮气体的相应/恢复时间为3s/41s，检测下限为10ppm，在最佳工作温度下空气基线电阻为超过9Mohm^[2]。所以在保证对丙酮气体有一定的响应值的前提下，制造响应/恢复时间更短、检测下限更低，且具有较低的空气基线电阻的丙酮气体传感器成为了当下的研究热点。

[1]H.Yu,Y.Zhang,L.H.Dong,and J.X.Wang,Materials Science inSemiconductor Processing 121(2021)105451.

[2]C.Liu,B.Q.Wang,T.Liu,P.Sun,Y.Gao,F.M.Liu,and G.Y.Lu,Sensors andActuators B-Chemical 235,294(2016).

发明内容

本发明的目的是提供一种基于晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

本发明所述的一种基于晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料的丙酮气体传感器，其由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底，涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料和置于陶瓷管内的镍铬加热线圈组成，传感器加热方式为旁热式。传感器在工作时，通过为镍铬加热线圈通直流电流来提供传感器的工作温度，通过改变电流大小来改变工作温度。由于CdSnO₃属于N型半导体，其在空气中电阻较高，在丙酮气体等还原性气体中电阻会降低，通过测量在空气中以及丙酮气体中两金电极间的电阻阻值来实现检测丙酮浓度的功能；其中，晶相改进的CdSnO₃纳米半导体敏感材料的制备步骤如下：