本發(fā)明屬于氣敏材料與氣敏傳感器制備技術領域，具體涉及一種基于納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜的氣敏傳感器及其制備方法。

背景技術：

目前，由于醫(yī)療、環(huán)境保護、食品檢測、和工業(yè)安全監(jiān)控等方面的需要，能夠?qū)崟r檢測有毒氣體和易燃氣體的氣敏傳感器受到了很多關注。在氣敏傳感領域，基于不同的氣敏傳感原理，有多種氣體傳感探測方法。其中，當所探測的目標氣體出現(xiàn)后，由于電子交換和化學反應的原因，材料的電阻發(fā)生變化，進而被探測出來，是比較簡單方便的一種氣敏傳感方法，而且易與半導體工藝結(jié)合，集成到探測芯片中去。

過渡金屬氧化物作為電阻變化型氣敏材料被應用于氣敏傳感器，如ZnO、SnO₂、Fe₂O₃、TiO₂、WO₃、Cu₂O、NiO等，其中V₂O₅是很有前途的一類氣體敏感材料。因為其晶體結(jié)構屬于層狀結(jié)構的正交晶系，氣體分子可以輕易的進入到各層之間。V₂O₅對乙醇、有機胺類、氦氣有較好的氣敏特性。傳統(tǒng)的氧化物氣敏傳感器都是基于單晶、多晶、薄膜和粉末等結(jié)構。隨著技術的進步，納米線、納米帶、納米管等納米結(jié)構的氧化物材料，由于其較大的比表面積，能有效的提高氣體探測的靈敏度，越來越受到重視。V₂O₅納米帶對乙醇氣體表現(xiàn)出較好的選擇性和穩(wěn)定性(J.F.Liu,X.Wang,Q.Peng,and Y.D.Li,Adv.Mater.2005,17,764.)。V₂O₅納米線表現(xiàn)出對氦氣的氣敏特性(H.Y.Yu,B.H.Kang,U.H.Pi,C.W.Park,S.Y.Choi,and G.T.Kim,Appl.Phys.Lett.2005,86,253102.)。但基于V₂O₅的氣敏傳感器，良好的氣敏特性往往是在150℃以上的溫度獲得，在室溫下獲得良好的氣敏特性，是更加方便、安全和節(jié)能的。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種易于制備，且在室溫下對多種氣體具有良好氣敏特性的基于納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜的氣敏傳感器及其制備方法。

為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明一方面提供了一種在室溫下具有多種氣體(氨氣、丙酮、乙醇)氣敏特性的基于納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜的氣敏傳感器。如圖1所示，該氣敏傳感器為襯底、薄膜和電極三層結(jié)構；最下面是襯底層，選用表面法線方向為(001)的SrTiO₃單晶基片；中間是V₂O₅的薄膜層，薄膜層的結(jié)構如圖2所示，V₂O₅為長條形狀晶粒，晶粒的寬度為150～170nm，晶粒的長度并不均勻，差別較大(約為150～2000nm)；長條形狀的V₂O₅晶粒相互垂直的交錯排列在SrTiO₃單晶襯底上，形成一種納米尺度的網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜；最上面是電極層，叉指形狀或者條形的正負電極覆蓋在納米尺度的網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜表面上，從而形成了基于納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜的氣敏傳感器。

本發(fā)明所述的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜氣敏傳感器是一種對多種氣體敏感的傳感器，在特定的氣體環(huán)境直接產(chǎn)生電信號，具有響應快、靈敏度高、室溫無需加熱的特點。該氣敏傳感器可以獲得氨氣、氣態(tài)乙醇、氣態(tài)丙酮三種氣體直接電信號。

本發(fā)明另一方面提供了一種基于納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜的氣體傳感器的制作方法，步驟包括：

(1)襯底的清洗；

將表面法線方向為(001)的SrTiO₃單晶基片，依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，或者使用等離子清洗機進行清洗，使襯底表面無污染即可；

(2)脈沖激光沉積制備納米網(wǎng)格結(jié)構的V₂O₅薄膜；

運用脈沖激光沉積技術(PLD)，選擇釩單質(zhì)作為靶材料，在氧氣環(huán)境下沉積V₂O₅薄膜；靶材距離襯底的間距為50～60mm，PLD腔室內(nèi)的氧分壓為0.05～1Pa，襯底溫度為650～750℃，激光的頻率為2～4Hz，沉積時間為2～3小時，沉積完成后自然冷卻到室溫，V₂O₅薄膜在沉積過程中自發(fā)形成納米網(wǎng)格結(jié)構，如附圖2所示。

(3)制備電極和外部電路得到氣敏傳感器；

在本發(fā)明所述的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜氣敏傳感器中，電極材料可以由單質(zhì)金屬材料、金屬合金材料和導電的金屬化合物中的一種或幾種制成。例如，單質(zhì)金屬材料為Al、Pt、Au、W、Ag，金屬合金材料為Au-Ni、Al-Ni、Au-Ti等，導電的金屬化合物材料為ITO、IZGO等。電極的制備方法為真空鍍膜、磁控濺射、激光沉積、絲網(wǎng)印刷等方法。所采用的電極可以為條形電極或叉指形電極等；其中，條形電極和叉指形電極的電極寬度為0.001mm～5mm，電極間距為0.001mm～5mm。將正負電極連接到外部的電阻測量元件上，即構成了所述的氣敏傳感器。

本發(fā)明的優(yōu)點：

本發(fā)明采用一般常用的脈沖激光沉積生長方法，生長V₂O₅納米網(wǎng)格結(jié)構的薄膜，再制作出氣敏傳感器。由于具有納米網(wǎng)格結(jié)構，其薄膜的表面積比平整薄膜的表面積大2～3倍，因而具有更優(yōu)異的氣敏特性，可以在室溫條件下，對多種氣體進行傳感探測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的基于納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜氣敏傳感器的結(jié)構示意圖；

各部分名稱為：SrTiO₃襯底1、納米網(wǎng)格結(jié)構的V₂O₅薄膜2、電極3；

圖2是本發(fā)明所述的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜SEM圖；

圖3室溫條件下，本發(fā)明的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜氣敏傳感器在150ppm氣態(tài)氨氣環(huán)境下的氣敏特性的測試圖；

圖4是室溫條件下，本發(fā)明的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜氣敏傳感器在100ppm氣態(tài)丙酮環(huán)境下的氣敏特性的測試圖；

圖5是室溫條件下，本發(fā)明的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅薄膜氣敏傳感器在100ppm氣態(tài)乙醇環(huán)境下的氣敏特性的測試圖。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例詳細介紹本發(fā)明技術方案的實現(xiàn)和特點，以幫助閱讀者理解本發(fā)明的精神實質(zhì)和有益效果，但不能構成對本發(fā)明可實施范圍的任何限定。實施例1

具體地，本發(fā)明提供的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅氣敏傳感器的制作方法包括以下步驟：

步驟1：襯底的清洗。

襯底選用表面法線方向為(001)取向0.5mm厚的SrTiO₃單晶單面拋光基片。交替使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，使襯底表面無污染即可。

步驟2：基于脈沖激光沉積制備納米網(wǎng)格結(jié)構的V₂O₅薄膜。

選擇釩單質(zhì)(純度>99.9％)作為靶材料，靶材距離襯底的間距為60mm。沉積的氧分壓和襯底溫度分別為0.1Pa和700℃，XeCl脈沖激光的頻率為4Hz，沉積時間為2小時，沉積完成后自然冷卻到室溫。所得到的V₂O₅薄膜為納米網(wǎng)格結(jié)構，如附圖2所示為所沉積V₂O₅薄膜表面的SEM圖像，由該圖可見長條形V₂O₅晶粒的寬度為160nm左右，正交的排列在SrTiO₃襯底上。

步驟3：制備電極和外部電路，構成氣敏傳感器。

在V₂O₅薄膜表面覆蓋叉指狀電極的掩模版，運用真空熱蒸發(fā)鍍膜的方式，將叉指狀的銀電極蒸鍍到V₂O₅薄膜表面，叉指電極的每一條電極寬度為0.05mm，電極間距為0.05mm。將所制備的正負電極串聯(lián)到外部電阻測量設備，即構成了所述的電阻型V₂O₅氣敏傳感器。

本發(fā)明所提供的納米網(wǎng)格結(jié)構的V₂O₅氣敏傳感器是一種對多種氣體敏感的傳感器，室溫條件下，當所處的環(huán)境分別含有氨氣、氣態(tài)丙酮或氣態(tài)乙醇時，直接產(chǎn)生電阻變化的信號。參考圖3所示，在室溫條件下，本發(fā)明所提供的納米網(wǎng)格結(jié)構V₂O₅氣敏傳感器的電阻在含有氨氣的環(huán)境(氨氣濃度為150ppm)時，電阻在10秒內(nèi)發(fā)生了顯著的降低，當環(huán)境中的氨氣消失后，傳感器的電阻在8秒內(nèi)恢復到原來的水平。上述的V₂O₅氣敏傳感器在室溫條件下，表現(xiàn)出對氣態(tài)丙酮和氣態(tài)乙醇的靈敏的響應。如圖4所示，當傳感器置于濃度為100ppm的氣態(tài)丙酮環(huán)境時，V₂O₅氣敏傳感器的電阻發(fā)生了明顯的下降，響應時間約為60秒，當丙酮氣體消失后，電阻在20秒內(nèi)恢復到開始的狀態(tài)。如圖5所示，當傳感器置于濃度為100ppm的氣態(tài)乙醇環(huán)境時，V₂O₅氣敏傳感器的電阻發(fā)生了明顯的下降，響應時間約為50秒，當丙酮氣體消失后，電阻在10秒內(nèi)恢復到開始的狀態(tài)。并且上述的V₂O₅氣敏傳感器在多個循環(huán)過后，傳感器表現(xiàn)出了可靠的氣敏特性。