專利名稱：碳納米管薄膜氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及薄膜傳感器領(lǐng)域的吸附式氣體傳感器，具體涉及一種采用在叉指型電容電極上移植多壁碳納米管-二氧化硅(SiO2和MWNTS)復(fù)合薄膜作為氣敏元的氣體傳感器。該傳感器通過被測氣體在氣敏元表面的化學(xué)吸附情況，來檢測氣體的濃度。
背景技術(shù)：
傳感器中重要的一類是化學(xué)傳感器，而氣體傳感器又是化學(xué)傳感器的重要組成部分。組成氣體傳感器材料的微粒粒度越小，比表面積越高，傳感器與周圍氣體的接觸而發(fā)生相互作用越大，敏感度越高。碳納米管的中空結(jié)構(gòu)和外壁使它具有很大的表面積以供氣體吸附。而在室溫下的不同氣氛中，它們的電學(xué)特性又會發(fā)生改變，因此在制作傳感器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。納米傳感器的應(yīng)用研究才剛剛起步，但它已顯示出其他傳感器無法企及的優(yōu)點敏感度高，形體小，能耗低，功能多等。根據(jù)申請人所進行的資料檢索，未查到與本實用新型有關(guān)的文獻。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長、制備工藝簡單的氣體傳感器，可以廣泛用于甲烷，一氧化碳，氫氣，乙炔等氣體的測試，具有滿意的敏感性。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種碳納米管薄膜氣體傳感器，包括一玻璃或半導(dǎo)體材料或金屬的基底及外部引線；其特征在于，在基底上印刷有叉指型電極，并在叉指型電極上覆蓋有二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層上有一層多壁碳納米管和二氧化硅混合的復(fù)合薄膜層。
本實用新型的其他一些特點是，所述的二氧化硅絕緣層是二氧化硅溶膠—凝膠。
二氧化硅溶膠—凝膠采用正規(guī)酸乙酯、無水乙醇、濃鹽酸、去離子水按比例混合而成。
多壁碳納米管和二氧化硅混合的復(fù)合薄膜層采用在異丙醇中的分散，經(jīng)過攪拌、超聲、加熱后，與SiO2溶膠—凝膠充分混合得到SiO2和MWNTS復(fù)合漿料；叉指型電極采用絲網(wǎng)印刷工藝制備，電極材料選擇鋁或金或銀或其它導(dǎo)電材料制漿印刷而成；也可以采用采用旋轉(zhuǎn)甩涂法制備。
由于本實用新型采用在叉指型電容電極上移植多壁碳納米管-二氧化硅(SiO2和MWNTS)復(fù)合薄膜，作為氣敏元的吸附式叉指電容型碳納米管薄膜氣體傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長、制備工藝簡單、敏感性好等優(yōu)點?？梢詮V泛用于甲烷，一氧化碳，氫氣，乙炔等氣體的測試。


圖1是本實用新型截面結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實用新型叉指電容電極版圖；圖3是透射電子顯微鏡觀察的碳納米管電鏡圖，其中(a)是放大10000倍的圖；(b)是放大50000倍的圖；圖4、圖5是樣品1#和2#在氫氣中測試結(jié)果曲線圖；圖6是樣品2#在C2H2中測試結(jié)果曲線。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和設(shè)計人按上述技術(shù)方案完成的實施例對本實用新型作進一步詳細(xì)說明。以下的實施例只是較優(yōu)的例子，本實用新型不限于該實施例。
參見圖1，一種碳納米管薄膜氣體傳感器，包括玻璃或半導(dǎo)體材料或金屬的基底1及外部引線；在基底1上印刷有叉指型電極4，并在叉指型電極4上覆蓋有二氧化硅絕緣層2，在二氧化硅絕緣層2上有一層多壁碳納米管和二氧化硅混合的復(fù)合薄膜層3。
二氧化硅絕緣層2是二氧化硅溶膠—凝膠，是將正規(guī)酸乙酯、無水乙醇、濃鹽酸、去離子水按一定比例混合制備而成；MWNT和SiO2混合構(gòu)成復(fù)合薄膜層3，其中的碳納米管是由低壓CVD法制備而成，雜質(zhì)含量低，碳納米管互相纏繞如圖3所示。在異丙醇中的分散，經(jīng)過攪拌、超聲、加熱后，與SiO2溶膠—凝膠充分混合得到SiO2和MWNTS復(fù)合漿料；叉指型電極4的版圖如圖2所示，叉指型電極4被二氧化硅絕緣層2分隔，并且使叉指型電極4上面被二氧化硅絕緣層2覆蓋。叉指型電極4用絲網(wǎng)印刷工藝將銀漿印刷在基底1上，電極厚度為20～30um，電極間距為500um，線寬為500um。
采用SiO2和MWNTS復(fù)合薄膜，碳納米管的中空結(jié)構(gòu)和外壁使它具有很大的表面積以供氣體吸附，傳感器與周圍氣體的接觸而發(fā)生相互作用越大，敏感度越高。
所述碳納米管的制備方法也可以采用其它形式，比如熱解法、電弧放電和PEVCD法等。
所述SiO2和MWNTS復(fù)合薄膜的成型，既可以采用絲網(wǎng)印刷法，也可以采用旋轉(zhuǎn)甩涂法等。
所述叉指型電容電極材料可以選擇鋁、金、銀等其它材料。
將制作好的碳納米管薄膜氣體傳感器放在密封型氣體測試裝置中進行測量。
1.密封型氣體測試裝置密封型氣體測試裝置是一個為25×25×30cm3的密封氣箱，安裝有帶閥控裝置進氣管和出氣管，氣箱一側(cè)裝有直徑為3cm的圓形橡膠注氣窗，可以用注射器通過此窗向氣箱內(nèi)注入待測氣體，待測氣體濃度為c=ViV···(1)]]>
其中，c為待測氣體濃度，Vi為注入的待測氣體體積，V為氣箱容積。氣箱中放置一瓶飽和NaCl溶液，確保其中相對濕度為75％，以排除濕度對測試的干擾。
2.本發(fā)明按照下述常規(guī)工藝制備(1)、叉指型電極電容型傳感器廣泛用于氣敏傳感器，設(shè)計了平面叉指型電極電容傳感器，這種幾何形狀可以提供傳感器與氣體作用時最大的表面積。電極版圖如圖2所示，在玻璃基底上用絲網(wǎng)印刷工藝將銀漿印刷成叉指型電極，電極厚度為20～30um，電極間距為500um，線寬為500um。
(2)、SiO2絕緣層將正規(guī)酸乙酯、無水乙醇、濃鹽酸、去離子水按一定比例混合，制備出SiO2溶膠—凝膠。在平面叉指型電極上淀積一層SiO2，以保證電極不被碳納米管短路。
(3)、碳納米管分散CVD法制備出的碳納米管雜質(zhì)含量低，但碳管互相纏繞，需要充分分散后才能制備碳納米管漿料。在異丙醇中的分散，經(jīng)過攪拌、超聲、加熱后，與SiO2溶膠—凝膠充分混合得到SiO2和MWNTS復(fù)合漿料，與有機物混合后得到MWNTS有機漿料。
(4)、傳感器器件制作用甩涂的方法分別將SiO2和MWNTS復(fù)合漿料和純的MWNTS有機漿料甩涂在平面叉指型電極上制作了兩種電容型傳感器。將甩涂后的器件在室溫中晾干，送入高溫(580℃)燒結(jié)爐中在氮氣保護下燒結(jié)，消除碳管中的有機物，得到較純的SiO2和MWNTS復(fù)合膜和MWNTS膜，降至室溫后，用導(dǎo)線將銀漿電極引出。
2.實驗測試制作出的傳感器放在測試系統(tǒng)中進行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SiO2-MWNTS復(fù)合膜傳感器顯示出隨氣體濃度變化的趨勢。
根據(jù)SiO2-MWNTS復(fù)合膜面積的大小，分為1#和2#樣品，2#樣品的面積大約是1#樣品面積的2倍。圖4～6是測量結(jié)果，被測氣體分別為氫氣和乙炔，測試儀器為RLC測試儀，圖4，圖5分別為1#和2#樣品在氫氣氣氛中的測試結(jié)果，縱軸是阻抗值變化范圍；橫軸是氫氣濃度變化值，單位是ppm，1ppm＝1,000,000分之一，為體積濃度比。
從圖4中可以看出，當(dāng)氫氣體積濃度比從0升至800ppm時，隨著氫氣體積濃度比的增加，阻抗逐漸變大，從4.75千歐到5.22千歐。圖5與圖4的不同表現(xiàn)為它的阻抗值變化保持在一個較小范圍內(nèi)，從0到800ppm，阻抗值從1.06千歐升至1.18千歐。
圖6為1#在乙炔氣氛中測試結(jié)果，橫軸是乙炔氣濃度變化值，范圍是0～3000ppm，阻抗變化范圍是3.83千歐到4.03千歐。
可以看出，該薄膜氣體傳感器對氫氣和乙炔均有強的靈敏度，而且在較大的范圍內(nèi)均有輸出響應(yīng)。
權(quán)利要求1.一種碳納米管薄膜氣體傳感器，包括一玻璃或半導(dǎo)體材料或金屬的基底(1)及外部引線；其特征在于，在基底(1)上印刷有叉指型電極(4)，并在叉指型電極(4)上覆蓋有二氧化硅絕緣層(2)，在二氧化硅絕緣層(2)上有一層多壁碳納米管和二氧化硅混合的復(fù)合薄膜層(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜氣體傳感器，其特征在于，所述的二氧化硅絕緣層(2)是二氧化硅溶膠-凝膠。
專利摘要本實用新型公開了一種碳納米管薄膜氣體傳感器，包括一由玻璃或半導(dǎo)體材料或和金屬制備的基底以及外部引線；其特點是，在基底上設(shè)置一層二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層中分布有叉指型電極，叉指型電極被二氧化硅絕緣層分隔，并且使叉指型電極上面被二氧化硅絕緣層覆蓋；在最上邊設(shè)置有一層由多壁碳納米管和二氧化硅混合的復(fù)合薄膜層。由于本實用新型采用在叉指型電容電極上移植多壁碳納米管－二氧化硅(SiO
文檔編號G01N27/333GK2751305SQ20032010999
公開日2006年1月11日 申請日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者劉君華, 李昕, 朱長純 申請人:西安交通大學(xué)