一种基于管状SnO制造技术

本发明专利技术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SnO

【技术实现步骤摘要】
一种基于管状SnO2阵列的丙酮气体传感器及制备方法
本专利技术属于半导体氧化物气体传感器
，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。
技术介绍
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(Eg＝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：本专利技术中，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：本专利技术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，本专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于管状SnO2阵列的丙酮气体传感器及制备方法，具体涉及一种基于管状SnO2阵列的CH3COCH3传感器及其制备方法。本专利技术是这样实现的，一种原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器，由外表面带有2个分离的环形金电极(4)的Al2O3绝缘陶瓷管(1)、穿过Al2O3绝缘陶瓷管(1)内部的镍镉加热线圈(3)以及直接生长在Al2O3绝缘陶瓷管(1)外表面和环形金电极(4)上的SnO2敏感材料薄膜(2)构成，每个环形金电极(4)上连接着一队铂丝(5)；SnO2敏感材料薄膜(2)是利用ZnO模板牺牲法直接原位生长于基底上所得。本专利技术利用SnO2管状阵列作为敏感材料，一方面，独特的空心结构具有较大的比表面积，提供更多的活性位点和气体在材料中传输；另一方面，一维阵列的高度取向性性，有利于电子在材料中的传输，进而有效地提高了传感器对CH3COCH3的敏感特性。同时，相较于传统涂覆工艺，此器件工艺简单，无需进行涂覆步骤，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。本专利技术另一目的在于提供一种管状SnO2阵列的CH3COCH3传感器的制备方法，包括：SnO2敏感材料薄膜利用ZnO模板牺牲法直接原位生长于基底上所得。进一步，ZnO纳米棒阵列模板的制备步骤如下：(1)首先将市售的外表面自带有2个环形金电极的Al2O3陶瓷管用乙醇和丙酮交替清洗后在60℃干燥，陶瓷馆的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm。(2)将0.3g乙酸锌溶解在50ml甲醇中以获得溶胶溶液。然后，将步骤(1)中清洗后的Al2O3陶瓷管浸入上述溶液中30分钟，并在350℃退火30分钟，以形成ZnO晶种层。(3)通过混合0.03M的硝酸锌和0.03M的六亚甲基四胺溶液获得生长溶液。然后将原液和步骤(2)中的陶瓷管转移到有特氟隆衬的不锈钢高压釜中，在90℃下水热反应。(4)自然冷却至室温后，从溶液中取出Al2O3陶瓷管管，并用去离子水和乙醇反复清洗，然后在80℃下干燥6h。进一步，管状SnO2阵列的CH3COCH3传感器的制备方法，其制备步骤如下：(1)将0.4g锡酸钠添加到60ml水/乙醇(40vol％水)混合溶剂中。添加0.28M尿素然后将悬浮液转移到内衬特氟隆的100ml不锈钢高压釜中。(2)将带有ZnO纳米棒阵列的Al2O3管悬挂在高压釜底部上方，并在170℃下加热60分钟。最后，用去离子水冲洗Al2O3陶瓷管，并在空气中干燥。(3)将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于管状SnO2阵列的CH3COCH3传感器。表1本专利技术与已报道钴酸镍气敏传感器的气敏性能对比表结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术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。此外，本专利技术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。相比于现有技术，本专利技术的优点进一步包括以下内容：本专利技术利用模板自牺牲法制备SnO2纳米管，无需用酸或碱对模板进行后处理具有制备简单和环境友好的特性；本专利技术所制备的SnO2纳米管具有独特的空心结构，有效的提高了材料的比表面积。本专利技术所制备的管状SnO2阵列丙酮气体传感对CH3COCH3具有较高的灵敏度，在检测CH3COCH3含量方面有广阔的应用前景。本传感器的敏感材料是直接原位生长在陶瓷管基底上的，无需进行涂覆工艺，工艺简单。对比的技术效果或者实验效果。本专利技术气敏材料合成方式为两步水热法，操作简单，易于控制。本专利技术气敏材料实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位生长于基底的管状SnO

【技术特征摘要】
1.一种原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器制备方法，其特征在于，所述原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器制备方法包括：
利用ZnO纳米棒阵列模板牺牲法将SnO2敏感材料薄膜原位生长于基底上，制得原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器。


2.如权利要求1所述的原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器制备方法，其特征在于，所述ZnO纳米棒阵列模板制备方法包括：
(1)将外表面自带有2个环形金电极的Al2O3陶瓷管用乙醇和丙酮交替清洗，干燥；
(2)将乙酸锌溶解在甲醇中以获得溶胶溶液；然后，将步骤(1)中清洗后的Al2O3陶瓷管浸入上述溶液中，并退火，以形成ZnO晶种层；
(3)通过混合的硝酸锌和六亚甲基四胺溶液获得生长溶液；然后将原液和步骤(2)中的陶瓷管转移到有特氟隆衬的不锈钢高压釜中，水热反应；
(4)自然冷却至室温后，从溶液中取出Al2O3陶瓷管管，并用去离子水和乙醇反复清洗，然后在干燥。


3.如权利要求2所述的原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Al2O3陶瓷管用乙醇和丙酮交替清洗后，60℃干燥，陶瓷馆的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm；
步骤(2)中，所述Al2O3陶瓷管浸入溶液中30分钟，并在350℃退火30分钟；
步骤(3)中，将原液和陶瓷管转移到有特氟隆衬的不锈钢高压釜中，在90℃下水热反应；
步骤(4)中，自然冷却至室温后，从溶液中取出Al2O3陶瓷管管，并用去离子水和乙醇反复清洗，然后在80℃下干燥6h。


4.如权利要求1所述的原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器制备方法，其特征在于，所述所述原位生长于基底的管状SnO2阵列丙酮气体传感器制备方法进一步包括：
(1)将锡酸钠添加到...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鹏飞，王莹麟，王宸，许录平，张华，林玉明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61