專利名稱：氧化銅摻雜的二氧化錫基的氨氣氣敏傳感器的制備方法
氧化銅摻雜的二氧化錫基的氨氣氣敏傳感器的制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于一種氣體傳感元件，特別涉及一種以氧化銅(CuO)摻雜二氧化錫 (SnO2)為材料的薄膜型高選擇性的氨氣敏傳感元件的制備方法。技術(shù)背景
氨氣是一種工業(yè)應(yīng)用廣泛的有毒，無(wú)色，有刺激性惡臭味的氣體，它對(duì)動(dòng)物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，常被吸附在皮膚粘膜和眼結(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及生命。目前檢測(cè)氨氣的氣敏傳感器已被廣泛運(yùn)用于市政、消防、燃?xì)?、電信、石油、化工、煤炭、電力、制藥、冶金、焦化、?chǔ)運(yùn)等行業(yè)。氨氣傳感器的主要參數(shù)是靈敏度、響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間和選擇性。
金屬半導(dǎo)體材料是最早應(yīng)用于氨氣傳感器的一類材料，而且目前大部分的氨氣傳感器仍采用SnO2半導(dǎo)體材料。該材料主要是依靠接觸氨氣前后的電導(dǎo)率變化進(jìn)行檢測(cè)， 不少學(xué)者對(duì)單一的金屬半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜改性，獲得了不錯(cuò)的效果。但目前國(guó)內(nèi)市售的氨氣傳感器存在靈敏度低、響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種工藝簡(jiǎn)單的氧化銅摻雜的二氧化錫基氨氣氣敏傳感器的制備方法。此氣體傳感器對(duì)氨氣有高選擇性、高靈敏度和較短的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間。
本發(fā)明氧化銅摻雜二氧化錫基的氨氣氣敏傳感器的制備方法，步驟如下
(I)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備檢查氣路，然后將電源打開，打開真空室，將純度均為99. 99%的Cu 靶材和Sn靶材分別放在兩個(gè)射頻濺射靶上，將Al2O3陶瓷管放在樣品托上，關(guān)閉真空室；
(2)濺射前將系統(tǒng)抽為真空，過(guò)程如下啟動(dòng)機(jī)械泵，機(jī)械泵對(duì)磁控濺射室進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空計(jì)指針達(dá)到l_30Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，利用分子泵對(duì)磁控濺射室進(jìn)行抽真空，直至系統(tǒng)的氣壓達(dá)到10_3_10_5Pa ；
(3)抽完真空后，打開氧氣和氬氣的氣路閥門，向系統(tǒng)中通入體積比為 3:1-4:1的氬氣和氧氣，通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)控制真空室內(nèi)的氣體壓力，使其保持在 6 X IOci-SXKT1Pa,在反應(yīng)濺射過(guò)程中，氬氣(Ar)為濺射氣體、氧氣(O2)為反應(yīng)氣體；
(4)濺射開始時(shí)在靶與基板之間放一擋盤，預(yù)濺射10分鐘后移開擋盤，同時(shí)將Sn 靶的功率調(diào)到60-80W，Cu靶的功率調(diào)到20-60W，濺射45分鐘；
(5)濺射完成后，向真空室充入氮?dú)?，達(dá)到IO5Pa時(shí)打開真空室取出樣品；
(6)將上述樣品在馬弗爐內(nèi)，進(jìn)行300°C _500°C退火1-3小時(shí)，在Al2O3陶瓷管表面形成所需的SnO2薄膜，即形成氧化銅摻雜的二氧化錫基的氨氣敏傳感器。
本發(fā)明采用物理成膜法(射頻濺射法)制備氣敏元件，與其它的制備方法相比更為先進(jìn)。本發(fā)明所制備出的氣敏元件對(duì)氨氣有很好的選擇性，對(duì)于其他常見氣體(如甲醇， 甲苯，丙酮，無(wú)水乙醇等)不敏感，可在眾多的混合氣體中快速有效的檢測(cè)出氨氣。本發(fā)CN 102978578 A說(shuō)明書2/3 頁(yè)明制備出的氣敏元件靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間短。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
I、在Al2O3陶瓷管上，用本發(fā)明所述的射頻濺射法制備SnO2薄膜，制作工藝簡(jiǎn)單， 成膜質(zhì)量好，重復(fù)性好。
2、采用射頻濺射法制備薄膜時(shí)，選擇本發(fā)明中的工藝參數(shù)，可使氣敏元件對(duì)氨氣有高選擇性、高靈敏度和較短的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間。
本發(fā)明主要用途在混合氣體中，檢測(cè)出氨氣的存在。


圖I所示為元件的結(jié)構(gòu)；
圖2所示為測(cè)試電路；
圖3所示為氣敏元件測(cè)試典型結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
利用射頻濺射法，選擇合適的工藝參數(shù)(如濺射功率，退火溫度，氬氧比等)在 Al2O3陶瓷管表面制備SnO2薄膜。Al2O3陶瓷管內(nèi)置有加熱絲，用以加熱Al2O3陶瓷管。將加熱絲和SnO2膜上的鉬金絲引出的電極分別與引出回路和測(cè)試電路相連接，利用SnO2薄膜電阻隨環(huán)境中氨氣濃度的變化而改變，便可測(cè)定氨氣是否存在。元件表現(xiàn)出了只對(duì)氨氣敏感的高選擇性、高靈敏度和較短的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間的氣敏特性。
氣敏元件的氣敏特性通常用靈敏度來(lái)表征。靈敏度的定義為元件在大氣氣氛中的電阻值Rs與元件在一定濃度 的被測(cè)氣體氣氛中的電阻值Rg與之比e Rs
.、=—Rg
靈敏度的測(cè)試方法通過(guò)給元件中的電阻絲供電的方法，使電阻絲升溫發(fā)熱，從而將熱量間接傳導(dǎo)于Al2O3陶瓷管表面。將負(fù)載電阻R與元件電阻Rz相串聯(lián)，其兩端供給測(cè)Yc試電壓Vc。取R兩端的電壓為輸出電壓Vout。兀件的電阻抱=在大氣氣氛Vout下Rz = Rs,在氨氣氣氛下，Rz = Rg。
本發(fā)明采用射頻濺射法制備出了僅對(duì)氨氣敏感的單選擇性氣敏元件，對(duì)于其他常見氣體(如甲醇，丙酮，甲苯，無(wú)水乙醇等)不敏感，還可在眾多的混合氣體中，檢測(cè)出氨氣是否存在。它的工藝簡(jiǎn)單，具有良好的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間、高靈敏度和高選擇性。
實(shí)施例I.
射頻濺射法制備SnO2薄膜先對(duì)Al2O3陶瓷管用酒精進(jìn)行清洗并干燥，然后將其放在樣品托上。
I、將純度均為99. 99%的Cu靶材與Sn靶材分別放在兩個(gè)射頻靶上。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，至系統(tǒng)氣壓接近10_5Pa。
2、抽完真空后向系統(tǒng)內(nèi)通入氬氧比為3:1的氬氣和氧氣。
3、開始濺射時(shí)要預(yù)濺射10分鐘，在此過(guò)程中將Sn靶的功率調(diào)到80W，Cu靶的功率4調(diào)到40W，濺射45分鐘后取出樣品。
4、將濺射有SnO2材料的Al2O3陶瓷管在500°C下退火3小時(shí)，以便在Al2O3陶瓷管表面形成所需的SnO2薄膜，如圖I所示，Al2O3陶瓷管I內(nèi)置有加熱絲4，用以加熱Al2O3陶瓷管。將加熱絲和SnO2膜上的鉬金絲2引出的電極分別與引出回路和測(cè)試電路(如圖2所示)相連接，即形成氧化銅摻雜的二氧化錫基的氨氣敏傳感器(Al2O3陶瓷管表面用射頻濺射法制備的薄膜3)。測(cè)試電路中Rz為敏感元件電阻，R為負(fù)載電阻，R依據(jù)Rz大小進(jìn)行選擇，Vc為測(cè)試回路供給電壓。Vout為輸出的測(cè)試電壓，Vh為加熱回路的供給電壓，依據(jù)需要的加熱溫度進(jìn)行選擇。
5、用HW — 30A型氣敏測(cè)試儀測(cè)定其氣敏特性，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
當(dāng)本發(fā)明的氣敏元件工作溫度為75°C時(shí)，其氣敏測(cè)試結(jié)果如下本項(xiàng)發(fā)明的氣敏元件對(duì)氨氣有單選擇性，其響應(yīng)時(shí)間為I秒，恢復(fù)時(shí)間為2秒,元件對(duì)氨氣的靈敏度達(dá)到 372. 3，對(duì)甲醛等其他有氣體不敏感。
實(shí)施例2.
射頻濺射法制備SnO2薄膜先對(duì)Al2O3陶瓷管用酒精進(jìn)行清洗并干燥，然后將其放在樣品托上。
I、將純度均為99. 99%的Cu靶材與Sn靶材分別放在兩個(gè)射頻靶上。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，至系統(tǒng)氣壓接近10_5Pa。
2、抽完真空后向系統(tǒng)內(nèi)通入氬氧比為4:1的氬氣和氧氣。
3、開始濺射時(shí)要預(yù)濺射10分鐘，在此過(guò)程中將Sn靶的功率調(diào)到60W，Cu靶的功率調(diào)到30W，濺射45分鐘后取出樣品。
4、將濺射有SnO2材料的Al2O3陶瓷管在300°C下退火2小時(shí)，以便在Al2O3陶瓷管表面形成所需的SnO2薄膜，如圖I所示，Al2O3陶瓷管內(nèi)置有加熱絲，用以加熱Al2O3陶瓷管。 將加熱絲和SnO2膜上的鉬金絲引出的電極分別與引出回路和測(cè)試電路(如圖2所示)相連接，即形成氧化銅摻雜的二氧化錫基的氨氣敏傳感器。
5、用HW - 30A型氣敏測(cè)試儀測(cè)定其氣敏特性。其氣敏測(cè)試結(jié)果如下本項(xiàng)發(fā)明的氣敏元件對(duì)氨氣有單選擇性，其響應(yīng)時(shí)間為2秒，恢復(fù)時(shí)間為4秒，元件對(duì)氨氣的靈敏度達(dá)到237. 4，對(duì)甲醛等其他有氣體不敏感。
權(quán)利要求
1.一種氧化銅摻雜ニ氧化錫基的氨氣氣敏傳感器的制備方法，其特征是，步驟如下 (1)打開真空室，將純度均為99.99%的Cu靶材和Sn靶材分別放在兩個(gè)射頻濺射靶上，將Al2O3陶瓷管放在樣品托上，關(guān)閉真空室；(2)濺射前將系統(tǒng)抽為真空，機(jī)械泵對(duì)磁控濺射室進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空計(jì)指針達(dá)到l_30Pa時(shí)，啟動(dòng)分子泵，利用分子泵對(duì)磁控濺射室進(jìn)行抽真空，直至系統(tǒng)的氣壓達(dá)到KT3-IO-5Pa ； (3)抽完真空后，打開氧氣和氬氣的氣路閥門，向系統(tǒng)中通入體積比為3:1-4:1的氬氣和氧氣，通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)控制真空室內(nèi)的氣體壓力，使其保持在6 X 10°-3 X KT1Pa,在反應(yīng)濺射過(guò)程中，氬氣為濺射氣體、氧氣為反應(yīng)氣體； (4)濺射開始時(shí)在靶與基板之間放ー擋盤，預(yù)濺射10分鐘后移開擋盤，同時(shí)將Sn靶的功率調(diào)到60-80W，Cu靶的功率調(diào)到20-60W，濺射45分鐘； (5)濺射完成后，向真空室充入氮?dú)?，達(dá)到IO5Pa時(shí)打開真空室取出樣品； (6)將上述樣品在馬弗爐內(nèi)，進(jìn)行300°C-500°C退火1-3小時(shí)，在Al2O3陶瓷管表面形成所需的SnO2薄膜，即形成氧化銅摻雜的ニ氧化錫基的氨氣敏傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化銅摻雜二氧化錫基的氨氣氣敏傳感器的制備方法。本發(fā)明步驟如下將純度均為99.99%的Cu靶材和Sn靶材分別放在兩個(gè)射頻濺射靶上，將Al2O3陶瓷管放在樣品托上；濺射前將系統(tǒng)抽為真空，直至系統(tǒng)的氣壓達(dá)到10-3-10-5Pa；打開氧氣和氬氣的氣路閥門，使其保持在6×100-3×10-1Pa；預(yù)濺射10分鐘后移開擋盤，同時(shí)將Sn靶的功率調(diào)到60-80W,Cu靶的功率調(diào)到20-60W，濺射45分鐘；達(dá)到105Pa時(shí)打開真空室取出樣品；在馬弗爐內(nèi)，進(jìn)行300℃-500℃退火1-3小時(shí)即成。本發(fā)明所制備出的氣敏元件對(duì)氨氣有很好的選擇性,可在眾多的混合氣體中快速有效的檢測(cè)出氨氣。本發(fā)明制備出的氣敏元件靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間短。
文檔編號(hào)G01N27/22GK102978578SQ20121030900
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者潘國(guó)峰, 何平, 韓永, 張炳強(qiáng), 夏克文 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)