[发明专利]一种旁热式SnO2

说明书

本发明公开了一种旁热式SnO2半导体甲烷气体传感器及其制备方法，包括氧化铝陶瓷管，在氧化铝陶瓷管外表面设有金电极，金电极上连接有信号引出电极，在所述氧化铝陶瓷管外表面和金电极上涂覆有采用含有纳米SnO2粉末制成的半导体氧化物气敏层，在氧化铝陶瓷管内设有加热电极。本发明采用超声辅助化学沉淀法制备出高质量的纳米SnO2粉末，SnO2粒径尺寸更小，且不易发生团聚，SnO2具有更大的比表面积。另外，通过掺杂贵金属纳米颗粒显著增强SnO2气敏材料表面对目标气体分子的吸附能力，提升了气敏元件的灵敏度和选择性；同时掺杂纳米氧化物颗粒显著降低了气敏元件的初始阻值和稳定性。本发明得到的旁热式SnO2半导体甲烷气体传感器具有较低的初始阻值、优异的响应灵敏度、优良的选择性和稳定性、快速的响应/恢复特性。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器领域，具体涉及一种旁热式 SnO2半导体甲烷气体传感器及其制备方法。

背景技术

目前天然气和液化气已经得到了非常普遍的使用，而其主要成分是易燃易爆的甲烷(CH4)气体，当发生气体泄漏时很容易引起火灾和爆炸，造成人员伤亡和重大财产损失。因此制造灵敏度高、稳定性好且及时预警的燃气报警器是大势所趋。半导体传感器因具有灵敏度高、响应-恢复时间短、制造成本低、制作工艺简单、环境友好型等优点，而广泛应用于环境气体的测量、易燃易爆气体、有毒气体的检测报警等领域。

对于N型半导体SnO2材料，其主要点缺陷类型是氧空位和锡间隙原子，当气体分子扩散到该材料表面时，二者之间会发生电子的转移，使得材料表面的电子耗尽层宽度发生变化，最终导致材料的电阻值发生变化。目前，针对CH4半导体传感器的研究主要集中在材料制备和元件结构设计两方面。在气敏材料方面目前研究较多的是SnO2，利用贵金属和稀有金属掺杂实现元件灵敏度和选择性的提升；在元件结构设计上，利用 MEMS技术和IC技术设计微结构型传感器，以实现小型化和低功耗的目标。然而现在市售的半导体传感器存在灵敏度低、稳定性差和集成度低等缺点，所以研制一种对CH4具有高灵敏度和选择性并且利于集成的半导体传感器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种对甲烷具有较高的灵敏度和优异的选择性的旁热式SnO2半导体甲烷气体传感器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的一种旁热式SnO2半导体甲烷气体传感器，包括氧化铝陶瓷管，其特征是在氧化铝陶瓷管外表面设有金电极，金电极可通过印刷成环形设置在氧化铝陶瓷管外表面两端，金电极上连接有信号引出电极，信号引出电极可采用铂丝材料并通过粘结连接在金电极上，在所述氧化铝陶瓷管外表面和金电极上涂覆有采用含有纳米SnO2粉末制成的半导体氧化物气敏层，在氧化铝陶瓷管内设有加热电极，氧化铝陶瓷管外设有管座和管帽，信号引出电极和加热电极焊接连接在管座上。

本发明还提供了一种旁热式SnO2半导体甲烷气体传感器的制备方法，其特征是通过以下步骤制备：

步骤a：分别称取0.5g的SnO2纳米粉末、0.01g氯化钯和0.003g过渡族金属氧化物，其中氯化钯能影响气敏元件的甲烷灵敏度，过渡族金属氧化物能保证气敏元件的性能稳定性，倒入玛瑙研钵中研磨混合，随后向混合粉末中滴加适量的含有有机粘结剂的去离子水或乙醇，继续研磨形成气敏浆料。

步骤b：将带有金电极和铂丝信号引出电极的氧化铝陶瓷管进行清洗并烘干，将步骤a制备的气敏浆料涂覆在氧化铝陶瓷管外表面，低温烘干后进行高温烧结成半导体氧化物气敏层，形成气敏元件。

步骤c：将加热丝线圈穿入步骤b制备的气敏元件中作为加热电极，并将铂丝信号引出电极和加热电极焊接在管座上，并用管帽封帽后进行老化得到旁热式SnO2半导体甲烷气体传感器。

其中，所述步骤a中的过渡族金属氧化物可以包括氧化铁、氧化钨、氧化钛、氧化锌、氧化铟中的一至二种；所述含有有机粘结剂的去离子水或乙醇，其有机粘结剂含量其重量百分比可以为0.1-10wt％。