專利名稱：一種氮氧化物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種氣體傳感器，特別是涉及一種氮氧化物傳感器。
背景技術(shù)：
氮氧化物(NOx)是典型的大氣污染物，可引起酸雨，光化學霧等。使用礦物燃料、汽車尾氣等原因都會造成空氣中的二氧化氮增加。空氣中二氧化氮濃度過高會導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)、肺損傷等疾病，對大氣層中的臭氧層也有一定的破壞作用，嚴重危害人們身體健康。NO在空氣中能自動氧化成NO2，因此，空氣中的氮氧化物主要是指NO2，目前檢測空氣中NO2氣體的主要方法是Saltzman法，此方法需要用專門的大型儀器，不適宜用于室外監(jiān)測，較難推廣使用。如何在大范圍內(nèi)對氮氧化物進行原位、實時監(jiān)測的研究是環(huán)境保護中十分有意義的工作，近些年來發(fā)展的半導(dǎo)體氣體傳感器可望滿足這種需要。自1962年T.Seiyama首次提出半導(dǎo)體氧化物具有氣敏性以來，固態(tài)氣體傳感器的研究得到了較快的發(fā)展，目前已向微型化和集成化的方向發(fā)展，并用于研制微型傳感器陣列。Shaver率先對WO3的氣敏性進行了研究，指出用Pt活化的WO3對H2具有響應(yīng)。進一步的研究表明，WO3是良好的NO2氣敏材料。
基于WO3材料的半導(dǎo)體NO2氣體傳感器已有不少文獻報導(dǎo)。綜觀這些文獻可得知，WO3的制備方法和敏感膜的制作技術(shù)直接影響其氣敏性能。敏感膜的制作大多采用較復(fù)雜的物理方法，由于采用物理方法制作的敏感膜不太穩(wěn)定，至今較難開發(fā)應(yīng)用。因此，研究成本較低，制作簡單，且穩(wěn)定實用的NO2氣體傳感器是一個值得探索的問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種對二氧化氮氣體具有良好的響應(yīng)性、選擇性、檢測靈敏度高、檢測下限低、響應(yīng)-恢復(fù)快、穩(wěn)定性好、工作溫度低的氮氧化物傳感器。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的氮氧化物傳感器是在其本體表面上涂覆有薄膜，其薄膜的配方按重量比是三氧化鎢∶二氧化硅＝(100-90)∶(0-10)；其薄膜的配方按重量比計較優(yōu)的值是三氧化鎢∶二氧化硅＝100∶0；或三氧化鎢∶二氧化硅＝99∶1；或三氧化鎢∶二氧化硅＝97∶3；或三氧化鎢∶二氧化硅＝95∶5；或三氧化鎢∶二氧化硅＝90∶10。
本實用新型的氮氧化物傳感器在其表面涂覆有薄膜，利用SiO2的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加氮氧化物與WO3的接觸面積，從而提高氮氧化物傳感器對氮氧化物的靈敏度，涂覆有WO3和SiO2粉體薄膜的氮氧化物傳感器，測量氮氧化物成本低，測量精度高，制作工藝簡單，便于推廣應(yīng)用。
綜上所述，本實用新型是一種對二氧化氮氣體具有良好的響應(yīng)性、選擇性、檢測靈敏度高，檢測下限低，響應(yīng)-恢復(fù)快，穩(wěn)定性好，工作溫度低的氮氧化物傳感器。


圖1是SiO2摻雜量為1％的WO3粉體的X-射線衍射圖；圖2是工作溫度在160℃下各傳感器的電阻隨NO2氣體濃度的變化值；圖3是各傳感器在工作溫度為160℃時的靈敏度與NO2氣體濃度的關(guān)系；圖4工作溫度對靈敏度的影響；圖5是NO2濃度為10ppm，工作溫度為200℃時3％的傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)曲線；圖6是3％的傳感器對濃度均為30ppm的各種氣體的靈敏度比較；圖7是本氮氧化物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1參見圖7，在氮氧化物傳感器本體1表面涂覆有薄膜2，其薄膜2中的三氧化鎢∶二氧化硅按重量比是100∶0粉體。
實施例2參見圖7，在氮氧化物傳感器本體1表面涂覆有薄膜2，其薄膜中的薄膜2中的三氧化鎢∶二氧化硅按重量比是99∶1。
實施例3參見圖7，在氮氧化物傳感器本體1表面涂覆有薄膜2，其薄膜2中的三氧化鎢∶二氧化硅按重量比是97∶3。
實施例4參見圖7，在氮氧化物傳感器本體1表面涂覆有薄膜2，其薄膜2中的三氧化鎢∶二氧化硅按重量比是95∶5。
實施例5參見圖7，在氮氧化物傳感器本體1表面涂覆有薄膜2，其薄膜2中的三氧化鎢∶二氧化硅按重量比是90∶10。
下面結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對本實用新型作詳細說明。
A、氣敏性能測試測試工作在HWC-30A氣敏測試系統(tǒng)上完成，本系統(tǒng)采用電流電壓測試法。定義傳感器的靈敏度為S＝Rg/Ra(對氧化性氣體)或S＝Ra/Rg(對還原性氣體)，Rg表示傳感器在被測氣體中的電阻值，Ra表示傳感器在空氣中的電阻值。
B、結(jié)果和討論B.1 WO3粉體特性圖1是SiO2摻雜量為1％的WO3粉體的X-射線衍射圖。分析表明，此WO3粉體屬正交晶系，SiO2的摻雜不影響WO3晶相的形成。由Scherrer公式計算得到WO3粉體的平均粒徑為62nm.。
B.2傳感器件的氣敏性能半導(dǎo)體氮氧化物傳感器的響應(yīng)原理是基于電阻的變化，當半導(dǎo)體敏感膜暴露于被測氣氛中時，被測氣體分子將與吸附在半導(dǎo)體表面的O-、O2-或O2-發(fā)生化學反應(yīng)，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體的電阻增大或減小。SiO2摻雜的WO3系N-型半導(dǎo)體，用此材料制作的傳感器與氧化性氣體NO2作用時，引起電阻增大，其增大值與NO2濃度有關(guān)。圖2給出了工作溫度在160℃下各氮氧化物傳感器的電阻隨NO2氣體濃度的變化值。結(jié)果表明，各氮氧化物傳感器的電阻隨NO2濃度的增大而增大，并對NO2氣體有較好的線性響應(yīng)。
靈敏度是氮氧化物傳感器的重要參數(shù)。各氮氧化物傳感器在工作溫度為160℃時的靈敏度與NO2氣體濃度的關(guān)系如圖3所示。由圖可見，隨著NO2體積分數(shù)的增加，靈敏度增加。此外，對于不同摻雜量的氮氧化物傳感器，其靈敏度不同，適當摻雜SiO2有利于提高靈敏度。但是，當SiO2的摻雜量≥10％時反而導(dǎo)致靈敏度下降，以摻雜量在1％至5％較合適。靈敏度還與工作溫度有關(guān)，圖4給出了當NO2氣體濃度為10ppm時，在不同工作溫度下各氮氧化物傳感器的靈敏度。可以看出，從120℃-200℃各氮氧化物傳感器的靈敏度隨工作溫度的升高而增加，到200℃時達到最大值，然后靈敏度下降。表明氮氧化物傳感器的最佳工作溫度為200℃。
響應(yīng)-恢復(fù)時間可直接從響應(yīng)-恢復(fù)曲線讀出。圖5給出了NO2濃度為10ppm，工作溫度為200℃時3％的氮氧化物傳感器的響應(yīng)-回復(fù)曲線。響應(yīng)時間約為11s，恢復(fù)時間約為50s。表明氮氧化物傳感器響應(yīng)-恢復(fù)較快。實驗還表明，當濃度為2.5ppm時，響應(yīng)性能仍然很好，因此該傳感器可以實現(xiàn)低濃度NO2氣體的檢測。
各氮氧化物傳感器對NO2氣體有很好的選擇性，圖6是3％的氮氧化物傳感器對濃度均為30ppm的各種氣體的響應(yīng)。在工作溫度為165℃時，除對C2H5OH和NH3有較弱的響應(yīng)外，對CO、CH4和C4H10基本上沒有響應(yīng)。這表明氮氧化物傳感器對NO2有很好的選擇性。該組氮氧化物傳感器還具有相當好的穩(wěn)定性，表1為110d前后在工作溫度為200℃，NO2氣體濃度為10ppm的相同條件下的各氮氧化物傳感器的靈敏度。結(jié)果表明，各氮氧化物傳感器在110d內(nèi)很穩(wěn)定。但未摻雜SiO2，直接用WO3粉體制得的氮氧化物傳感器穩(wěn)定性相對較差。
表1不同時間測得的靈敏度

C、結(jié)論由白鎢酸和硅酸乙酯制備了SiO2摻雜的WO3納米顆粒薄膜氮氧化物傳感器，所制得的納米顆粒平均粒徑為62nm。通過摻雜SiO2可提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明，這類氮氧化物傳感器靈敏度高，檢測下限低，響應(yīng)-恢復(fù)快，有良好的穩(wěn)定性和選擇性，工作溫度低。因此，可望用于對空氣中的NO2氣體進行原位、實時監(jiān)測。
權(quán)利要求1.一種氮氧化物傳感器，包括氮氧化物傳感器本體，其特征是在所述的氮氧化物傳感器本體(1)表面涂覆有一層薄膜(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮氧化物傳感器，其特征是所述的薄膜(2)由三氧化鎢和二氧化硅按重量比計為(100-90)∶(0-10)組成。
專利摘要本實用新型公開了一種氮氧化物傳感器，在氮氧化物傳感器本體(1)表面涂覆有薄膜(2)，其薄膜的配方按重量比計是三氧化鎢∶二氧化硅＝(100－90)∶(0－10)。本實用新型是一種對二氧化氮氣體具有良好的響應(yīng)性、選擇性、檢測靈敏度高，檢測下限低，響應(yīng)－恢復(fù)快，穩(wěn)定性好，工作溫度低的氮氧化物傳感器，其制作工藝簡便。
文檔編號G01N27/333GK2807255SQ20042006913
公開日2006年8月16日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者浣石 申請人:浣石