具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法，包括以下步骤：S1、将聚合物覆膜自组装在覆盖在微加热平台的叉指电极上，得到叉指电极经过覆膜的模板基础层；S2、采用纳米压印方法得到规整的纳米模板结构，纳米模板结构具有纳米多孔阵列结构层，纳米模板结构上残留有残余模板剂；S3、去除纳米压印残留层以使叉指电极层裸露在空气层且成为气敏材料成膜载体；S4、在气敏材料成膜载体上制备金属离子掺杂氧化物薄膜作为气体敏感材料层；S5、对残余模板剂，得到具有纳米多孔结构的气敏传感器元件。该制备方法兼具经济性和环境友好型，具有可制造性和复制性较好的优点，对CH

【技术实现步骤摘要】
具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法
本专利技术属于气敏传感器
，具体涉及一种具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法。
技术介绍
随着现代化工业的迅速发展，大气环境污染已成为人们健康生活的重点问题，因此高稳定性、高灵敏度、快速响应恢复的敏感材料研发已成为当下气体传感器研究热点。多孔纳米阵列结构因其较大的比表面积，能够为气体吸附和反应提供更多的表面活性位点，将显著提高传感器灵敏度。Xu等人采用PS微球模板剂，基于提拉法，制备出了多孔SnO2敏感材料(Sci.Rep.5,10507)；Sun等人通过等离子刻蚀PS微球模板法，制备了Cu掺杂的SnO2多孔结构(CN103529081A)。此外，Hu等人采用多孔硅结构制备纳米氧化钒气敏材料(CN104181206A)。传统方法有微球模板剂法和多孔硅修饰法，先对传统方法举例说明。(1)微球模板剂法例如专利文件CN103529081A中公开的微球模板剂法，微球模板剂通常为聚苯乙烯微球水溶液，价格昂贵，不适合大规模批量生产。(2)多孔硅修饰法例如专利文件CN104181206A中公开的多孔硅修饰法，多孔硅多采用化学腐蚀法，需要大量氢氟酸溶剂，不利有环境友好型发展。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法，该具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法结合纳米压印技术，能够克服传统方法的缺点，是一种可复制性、可制造性强的经济制备方法。根据本专利技术实施例的具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法，包括以下步骤：S1、将聚合物覆膜自组装在覆盖在微加热平台的芯片上的叉指电极上，得到所述叉指电极经过覆膜的模板基础层；S2、对所述模板基础层采用纳米压印方法得到规整的纳米模板结构，所述纳米模板结构具有纳米多孔阵列结构层，所述纳米模板结构上残留有残余模板剂；S3、去除所述纳米模板结构上的纳米压印残留层以使所述叉指电极层裸露在空气层且成为气敏材料成膜载体；S4、在所述气敏材料成膜载体上制备金属离子掺杂氧化物薄膜作为气体敏感材料层；S5、对所述芯片去除所述残余模板剂，得到具有纳米多孔结构的气敏传感器元件。根据本专利技术实施例的制备方法，避免采用昂贵的聚苯乙烯微球模板剂，转而替代采用廉价的聚合物薄膜，结合纳米压印及刻蚀技术，在微加热平台上构筑多孔模板结构，达到模板剂及刻蚀相结合技术(CN103529081A)的相似效果，具有工艺简单、成本低廉的优势。根据本专利技术实施例的制备方法结合纳米压印技术，能够克服传统方法的缺点，是一种可复制性、可制造性强的经济制备方法。根据本专利技术一个实施例，步骤S1中，所述聚合物覆膜通过LB膜法、溶液蒸发法、旋涂法或者浸涂法中的一种进行自组装。根据本专利技术一个实施例，所述旋涂法包括以下步骤：将热塑性聚合物溶解在溶剂中，得到聚合物溶液；采用旋涂法将所述聚合物溶液旋涂至所述微加热平台，得到所述聚合物薄膜；静置后将涂有所述聚合物薄膜的所述叉指电极加热。根据本专利技术一个实施例，步骤S2包括以下步骤：在预设压力下将多孔阳极氧化铝模板的多孔结构复制在所述聚合物薄膜上；进行保压操作，得到所述纳米多孔阵列结构层；对所述多孔阳极氧化铝模板进行降温；对所述多孔阳极氧化铝模板和所述芯片进行脱模。根据本专利技术一个实施例，在所述的对所述多孔阳极氧化铝模板进行降温的步骤中，采用所述多孔阳极氧化铝模板的冷凝水系统进行降温。需要说明的是，在对多孔阳极氧化铝模板可采用循环冷凝水的降温方法，属于对流散热
，可通过降低冷凝水介质温度，提高与模板的接触面积，增大冷凝水介质的流动速度以提高降温效率。根据本专利技术一个实施例，在所述的对所述多孔阳极氧化铝模板和所述芯片进行脱模的步骤中，脱模角度为10°-45°。根据本专利技术一个实施例，步骤S3中通过等离子干法刻蚀法去除所述纳米压印残留层。根据本专利技术一个实施例，步骤S4中通过磁控溅射方法、溶胶凝胶方法、原子层淀积方法、脉冲激光沉积和化学气相沉积中的一种制备得到所述金属离子掺杂氧化物薄膜。根据本专利技术一个实施例，所述磁控溅射方法包括以下步骤：在所述气敏材料成膜载体上沉积Ag掺杂的SnO2薄膜，厚度为10nm-400nm，掺杂浓度为1at％-10at％。根据本专利技术一个实施例，步骤S5中，通过超声清洗去除所述残余模板剂。根据本专利技术一个实施例，步骤S5中包括：S51、去除所述残余模板剂；S52、对去除所述残余模板剂的所述芯片进行高温烧结。根据本专利技术一个实施例，所述多孔阳极氧化铝模板采用经过多步骤扩孔和氧化而得到的V形多孔阳极氧化铝模板，所述多孔阳极氧化铝模板的深宽比为2:1。根据本专利技术一个实施例，步骤S2中的纳米压印方法包括热压印和冷压印。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术实施例的具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法的流程图；图2是根据本专利技术实施例的具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法的示意图；图3是根据本专利技术实施例的多孔阳极氧化铝模板的俯视图；图4是根据本专利技术实施例的多孔阳极氧化铝模板的截面图；图5为实施例2中采用新型多孔结构制备Al掺杂氧化锌的气敏材料电镜(SEM)照片(S5完成的成品)；图6为实施例2中采用新型多孔结构制备Al掺杂氧化锌的气敏材料XRD物相分析结果(S5完成的成品)；图7为实施例2中采用新型多孔结构制备Al掺杂氧化锌的气敏材料，通过离子掺杂的方法，气敏材料在300℃温度下对CO气体响应表现(S5完成的成品)；图8是根据本专利技术实施例的微加热平台的结构示意图。附图标记：微加热平台10；叉指电极11；隔离薄膜12；加热器13；支撑薄膜14；聚合物薄膜20；图案模板30；敏感材料40；多孔阳极氧化铝模板50；冷凝水系统51；热电偶52。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，限定有“本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、将聚合物覆膜自组装在覆盖在微加热平台的芯片上的叉指电极上，得到所述叉指电极经过覆膜的模板基础层；/nS2、对所述模板基础层采用纳米压印方法得到规整的纳米模板结构，所述纳米模板结构具有纳米多孔阵列结构层，所述纳米模板结构上残留有残余模板剂；/nS3、去除所述纳米模板结构上的纳米压印残留层以使所述叉指电极层裸露在空气层且成为气敏材料成膜载体；/nS4、在所述气敏材料成膜载体上制备金属离子掺杂氧化物薄膜作为气体敏感材料层；/nS5、对所述芯片去除所述残余模板剂，得到具有纳米多孔结构的气敏传感器元件。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米多孔结构的气敏传感器元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将聚合物覆膜自组装在覆盖在微加热平台的芯片上的叉指电极上，得到所述叉指电极经过覆膜的模板基础层；
S2、对所述模板基础层采用纳米压印方法得到规整的纳米模板结构，所述纳米模板结构具有纳米多孔阵列结构层，所述纳米模板结构上残留有残余模板剂；
S3、去除所述纳米模板结构上的纳米压印残留层以使所述叉指电极层裸露在空气层且成为气敏材料成膜载体；
S4、在所述气敏材料成膜载体上制备金属离子掺杂氧化物薄膜作为气体敏感材料层；
S5、对所述芯片去除所述残余模板剂，得到具有纳米多孔结构的气敏传感器元件。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述聚合物覆膜通过LB膜法、溶液蒸发法、旋涂法或者浸涂法中的一种进行自组装。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋涂法包括以下步骤：
将热塑性聚合物溶解在溶剂中，得到聚合物溶液；
采用旋涂法将所述聚合物溶液旋涂至所述微加热平台，得到所述聚合物薄膜；
静置后将涂有所述聚合物薄膜的所述叉指电极加热。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
在预设压力下将多孔阳极氧化铝模板的多孔结构复制在所述聚合物薄膜上；
进行保压操作，得到所述纳米多孔阵列结构层；
对所述多孔阳极氧化铝模板进行降温；
对所述多孔阳极氧化铝模板和所述芯片进行脱模。


5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张清，周李兵，王海波，郝叶军，贺耀宜，胡文涛，王小蕾，张一波，赵立厂，屈世甲，黄小明，
申请(专利权)人：天地常州自动化股份有限公司，中煤科工集团常州研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32