专利名称：氧化锌气体感测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体感测装置，尤其涉及一种包括纳米级氧化锌纤维的气体感测装置。
背景技术：
气体感测器是利用气敏元件吸附气体后引起其性质变化的特性而制成的器件。气体感测器在汽车尾气检测、工业炉燃烧气氛的控制和空气净化方面有着广泛应用。
氧化锌(Zinc Oxide)气体感测器是一种常用于检测CO，NO2等气体的气体感测设备。氧化锌气体感测器采用氧化锌为感测膜材料，其原理是，氧化锌表面吸附相应气体后使得材料载流子浓度发生相应的变化，从而导致感测膜电导率改变。当氧化锌感测膜结构较为疏松，氧化锌微粒之间存在一定空隙时，将有利于被检测气体的吸附。因此，氧化锌感测膜的疏松性成为影响氧化锌气体感测器的响应速度和灵敏度的重要因素之一。
如图1和图2所示，现有的氧化锌感测器包括一氧化铝绝缘基底10；形成于氧化铝绝缘基底10表面的两电极11、12；一覆盖氧化铝绝缘基底10和两电极11、12的氧化锌膜14。目前，传统的氧化锌感测器制备方法是把纳米结晶锌镀在印有电极的氧化铝基底上，然后在空气中以逐渐加热的方式制成氧化锌气体感测器。由于锌很容易在空气中氧化，首先在其表层形成氧化锌保护层，该保护层包覆并保护内层的锌不易被氧化。所以，一般而言，纳米结晶锌需较高的烧结温度，才可以保证纳米结晶锌完全氧化成纳米结晶氧化锌。但是，在高温加热烧结时，因温度太高，加热速率快，，容易破坏氧化锌孔洞结构，形成致密结构，且纳米结晶氧化锌的粒径大小也会随着烧结温度的提高而增大，导致晶粒间的孔洞结构消失，降低感测器的灵敏度。
所以，提供一种结构疏松、具有较高灵敏度的气体感测装置实为必要。
发明内容本发明的目的在于提供一种结构疏松、灵敏度高的气体感测装置。
为实现本发明目的，本发明提供一种氧化锌气体感测装置，其包括一绝缘基底；形成于绝缘基底表面的两电极；一覆盖绝缘基底和两电极的纳米级氧化锌膜；上述纳米级氧化锌膜为柱状或管状具有高密度排列的氧化锌纳米纤维阵列。
与现有技术相比较，本发明的氧化锌气体感测装置利用高密度排列的氧化锌纳米纤维阵列，该氧化锌纳米纤维阵列包括柱状或中空管状结构，有利于气体在氧化锌纳米纤维阵列间的吸附，从而能提高氧化锌气体感测装置的灵敏度。
图1是现有技术的氧化锌感测器的侧面示意图。
图2是图1的氧化锌感测器的俯视图。
图3是本发明的氧化锌感测器的侧面示意图。
图4是图3的氧化锌感测器的侧面局部放大示意图。
具体实施方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请一并参阅图3和图4，本发明第一实施例的气体感测器3，其包括一绝缘基底30；在绝缘基底30表面形成的两电极31、32；一覆盖绝缘基底30和两电极31、32的纳米级氧化锌膜34，上述纳米级氧化锌膜34包括高密度排列的柱状或管状氧化锌纳米纤维阵列。
其中，绝缘基底30可为一薄板或膜层，由绝缘性能好的材料制成，另外，因气体感测器3一般需要加热到一定温度才能进行良好检测，所以，绝缘基底31的材料又以同时具备良好的热导性为佳，优选的材料包括氧化铝、石英、陶瓷或氮化硅等。
电极31，32可以由铂(Pt)、金(Au)或其合金等材料制备，一般是在绝缘基底30表面按预定图案通过沉积法或溅镀法形成。
纳米级氧化锌膜34包括许多有序排列的柱状或管状氧化锌纳米纤维(图未标示)，所述氧化锌纳米纤维直接形成在绝缘基底30和两电极31、32的表面，且氧化锌纳米纤维的直径范围一般为20～150纳米，长度可达10微米。相邻氧化锌纳米纤维之间、以及管状中空结构的氧化锌纳米纤维内部形成一定间隙，从而有利于吸附被检测气体。
气体感测器3的制备步骤如下首先，提供一绝缘基底30，其可为一薄板或膜层。其通常由绝缘性能好的材料制成，如氧化铝、石英、陶瓷或氮化硅等。另外，气体感测器3一般需要加热到一定温度才能进行良好检测，所以，绝缘基底31的材料又以同时具备良好的热导性。
其次，在绝缘基底30表面形成电极31，32。电极31，32可以由铂(Pt)、金(Au)或其合金等材料通过沉积法或溅镀法按预定图案在绝缘基底30表面形成，所形成的电极膜层优选为厚膜，其厚度可为400～7000纳米。另外，电极31、32还可以配置电极导线，电极的数量、图案和厚度还可以根据实际需要加以改变。
然后，采用磁控溅射法制备氧化锌膜34。制备前使用适当的微酸溶液对绝缘基底30和两电极31、32进行清洗，再用去离子水清洗并用高纯度的氮气吹干。溅射参数根据不同磁控溅射设备有不同的选择，本实施例可以采用金属锌靶的纯度为99.999％，靶直径为100毫米；氧气、氩气分别作为反应沉积过程的反应气体和溅射气体，氧氩气比例为3∶1，溅射功率为600W，基片温度控制在200～300℃，在沉积过程中基片保持旋转。制得的氧化锌膜为柱状或管状具有高密度排列的氧化锌纳米纤维阵列。
上述氧化锌膜34也可采用化学气相沉积法制备。把表面沉积有两电极31、32的基底30放入气相反应炉的铝舟中，且离铝舟中心有0.5～2.5厘米的距离；再取相同重量的氧化锌粉和石墨粉为反应原材料，碾碎并转移至铝舟中；并且通入氩气，加热上述反应原材料和基底到温度880～905℃。氧化锌粉与石墨粉在高温下发生热还原反应，生成锌蒸气，锌蒸气与基底和两电极表面相接触生长成氧化锌纳米纤维阵列，该生长过程一般在2～10分钟内发生。生成的氧化锌纳米纤维阵列垂直密布在两电极和基底表面，氧化锌纳米纤维直径范围为20～150纳米，长度可达10微米。
本发明还可以利用其它镀膜技术生长纳米级氧化锌膜，同样能达到本发明的技术效果。本发明的气体感测装置由于氧化锌膜为纳米纤维阵列，而且具有柱状或管状中空结构，使得相邻氧化锌纳米纤维之间或管状中空结构内部的孔洞结构得以保留，所以有利于气体在氧化锌纳米纤维阵列间吸附，氧化锌气体感测装置的灵敏度大大提高。
权利要求
1.一种氧化锌气体感测装置，其特征在于包括一绝缘基底；形成在绝缘基底表面的两电极；一覆盖绝缘基底和两电极的纳米级氧化锌膜，上述纳米级氧化锌膜为柱状或管状氧化锌纳米纤维阵列。
2.如权利要求1所述的氧化锌气体感测装置，其特征在于绝缘基底的材料可为氧化铝、石英、陶瓷或氮化硅。
3.如权利要求1所述的氧化锌气体感测装置，其特征在于所述电极是通过沉积法或溅镀法形成在上述绝缘基底表面。
4.如权利要求1所述的氧化锌气体感测装置，其特征在于所述电极的材料可为铂(Pt)、金(Au)或其合金材料。
5.如权利要求1所述的氧化锌气体感测装置，其特征在于纳米级氧化锌膜的制备方法包括磁控溅射法和化学气相沉积法。
6.如权利要求1所述的氧化锌气体感测装置，其特征在于氧化锌纳米纤维直径范围为20～150纳米。
7.如权利要求1所述的氧化锌气体感测装置，其特征在于氧化锌纳米纤维长度可达10微米。
全文摘要
本发明涉及一种氧化锌气体感测装置，其特征包括一绝缘基底；形成在绝缘基底表面的两电极；一覆盖绝缘基底和两电极的纳米级氧化锌膜；上述纳米级氧化锌膜为具有高密度排列的柱状或管状氧化锌纳米纤维。纳米级氧化锌膜能增加气体在氧化锌晶粒间的流通量，提高气体感测装置的灵敏度。
文档编号G01N27/12GK1603808SQ0313498
公开日2005年4月6日 申请日期2003年9月30日 优先权日2003年9月30日
发明者黄全德, 黄文正 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司