一种正丙醇气体传感器及其制备方法

本发明属于传感器，涉及一种正丙醇气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、正丙醇作为一种常见的挥发性有机化合物，广泛存在于化工生产、制药、涂料及清洁溶剂等行业。其蒸气与空气混合后具有爆炸风险，且人体吸入后会对中枢神经系统产生麻醉作用，引发头痛、恶心、头晕等症状，长期接触还可能造成肝肾功能损害。因此，在工业安全、职业健康防护及室内空气质量监测等领域，对环境中正丙醇气体的精准、快速检测提出了明确的现实需求。

2、目前，金属氧化物半导体气敏传感器是检测正丙醇气体的主要技术路线之一。其中，氧化铜因其对正丙醇表现出较高的催化活性和灵敏度、制备工艺相对简单且成本较低，已被广泛应用于该气体的检测研究。采用氧化铜制备的金属氧化物半导体气敏传感器，依靠氧化铜敏感膜表面的氧吸附脱附反应实现气体识别，受氧化铜材料较高的表面反应活化能限制，传感器需要维持200℃以上的工作温度才能激发表面气敏反应以获得稳定的输出信号。

3、然而，由于氧化铜材料表面反应活化能较高，造成氧化铜材料的活性位点较难在低温条件下得到充分活化，必须在200℃以上温度下工作，增加了传感器的功耗，同时，即便采用该高温工作条件，受氧化铜材料可利用比表面积的限制，其能够参与气敏反应的有效活性位点数量偏少，造成传感器对低浓度正丙醇的响应信号幅值依旧受限，导致气体吸附与脱附的动力学过程变慢，降低传感器的检测响应速度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种正丙醇气体传感器及其制备方法，能够降低传感器的工作功耗并缩短气体检测的响应速度，提升传感器对低浓度正丙醇的检测能力。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、一种正丙醇气体传感器，包括硅纳米线基底、负载于硅纳米线基底上的氧化铜敏感膜以及负载于氧化铜敏感膜表面的铝电极，硅纳米线基底与氧化铜敏感膜形成氧化铜-硅纳米线复合结构，氧化铜-硅纳米线复合结构用于调控气敏反应活化能以降低工作温度并增加可参与气敏反应的活性位点，铝电极用于导出气敏响应电信号。

4、本发明的特点还在于：

5、其中硅纳米线基底采用晶向〈100〉、电阻率0.001ω·cm~0.005ω·cm的p型硅片。

6、一种正丙醇气体传感器的制备方法，包含以下步骤：

7、选取硅片与氧化铜粉体；

8、将硅片置于混合液中进行疏水处理，得到疏水处理后的硅片；

9、将疏水处理后的硅片置于沉积液中进行沉积处理，得到表面附着有银纳米颗粒的硅片；

10、将表面附着有银纳米颗粒的硅片置于刻蚀液中进行刻蚀处理，得到表面附着有银纳米颗粒的硅纳米线基底；

11、对表面附着有银纳米颗粒的硅纳米线基进行去银处理，得到硅纳米线基底；

12、将氧化铜粉体分散于溶剂中形成分散液，将分散液旋涂至硅纳米线基底表面，干燥后形成氧化铜-硅纳米线复合结构；

13、在氧化铜-硅纳米线复合结构表面蒸镀铝电极，完成制备。

14、其中对硅片进行疏水处理时，将硅片浸入hf与去离子水的混合液中处理30s~90s。

15、其中混合液中hf与去离子水的体积比为1:1~1:3。

16、其中沉积液包含4mol/l~6mol/l的hf与0.01mol/l~0.02mol/l的agno3，沉积处理的时间为30s~120s。

17、其中刻蚀液包含4mol/l~6mol/l的hf与0.5mol/l~1.0mol/l的h2o2，刻蚀处理的时间为0.5h~2h。

18、其中对表面附着有银纳米颗粒的硅纳米线基进行去银处理时，将表面附着有银纳米颗粒的硅纳米线基底浸入68%的hno3溶液中处理30s~120s，取出后用去离子水冲洗并烘干。

19、其中分散液旋涂的转速为1000r/min~1800r/min，分散液旋涂的次数为3次~10次。

20、本发明的一种正丙醇气体传感器及其制备方法具有以下优点：

21、本发明利用硅纳米线基底与氧化铜敏感膜形成的氧化铜-硅纳米线异质复合结构，能够增加气敏反应的有效活性位点数量并降低气敏反应活化能，使传感器在100℃工作温度下即能激发表面气敏反应，从而降低传感器功耗，并使低浓度正丙醇气体的吸附容量增大以提高响应信号幅值，同时使气体吸附与脱附的动力学过程加快以缩短传感器的响应恢复时间，进而缩短气体检测的响应速度，提升传感器对低浓度正丙醇的检测能力。

1.一种正丙醇气体传感器，其特征在于，包括硅纳米线基底、负载于所述硅纳米线基底上的氧化铜敏感膜以及负载于氧化铜敏感膜表面的铝电极，所述硅纳米线基底与氧化铜敏感膜形成氧化铜-硅纳米线复合结构，所述氧化铜-硅纳米线复合结构用于调控气敏反应活化能以降低工作温度并增加可参与气敏反应的活性位点，所述铝电极用于导出气敏响应电信号。

2.根据权利要求1所述的一种正丙醇气体传感器，其特征在于，所述硅纳米线基底采用晶向〈100〉、电阻率0.001ω·cm~0.005ω·cm的p型硅片。

3.一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，对硅片进行疏水处理时，将硅片浸入hf与去离子水的混合液中处理30s~90s。

5.根据权利要求4所述的一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，所述混合液中hf与去离子水的体积比为1:1~1:3。

6.根据权利要求3所述的一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，所述沉积液包含4mol/l~6mol/l的hf与0.01mol/l~0.02mol/l的agno3，所述沉积处理的时间为30s~120s。

7.根据权利要求3所述的一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀液包含4mol/l~6mol/l的hf与0.5mol/l~1.0mol/l的h2o2，所述刻蚀处理的时间为0.5h~2h。

8.根据权利要求3所述的一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，对表面附着有银纳米颗粒的硅纳米线基进行去银处理时，将表面附着有银纳米颗粒的硅纳米线基底浸入68%的hno3溶液中处理30s~120s，取出后用去离子水冲洗并烘干。

9.根据权利要求3所述的一种正丙醇气体传感器的制备方法，其特征在于，所述分散液旋涂的转速为1000r/min~1800r/min，所述分散液旋涂的次数为3次~10次。