气敏元件敏感材料及其制备方法技术

技术编号:19687232 阅读:24 留言:0更新日期:2018-12-08 10:06
本发明专利技术公开了一种气敏元件敏感材料及其制备方法。其中,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr‑SnO2 86~96wt%,Sb2O3 1~6wt%,SiO2 0.5~3.5wt%,CaF2 0.2~2.5wt%,PdCl2 1~4wt%。本发明专利技术技术方案通过敏感配方设计合理,所制备的气敏浆料均匀,并通过对SnO2进行微量掺杂Zr元素,有效抑制SnO2晶粒生长,并有效避免直接引入ZrO2而导致不良分散的问题,再通过合理控制CaF2、Sb2O3、SiO2和少量PdCl2等配比,显著改善敏感膜稳定性和提高敏感膜的气敏反应活性;同时,合理控制各配方组分的尺寸粒径,改善气敏元件灵敏度和长期工作稳定性。

【技术实现步骤摘要】
气敏元件敏感材料及其制备方法
本专利技术涉及气敏元件材料,特别涉及气敏元件敏感材料及其制备方法。
技术介绍
气体敏感材料作为半导体气体传感器的核心部分之一,对传感器的实际检测能力具有重要作用。在制备半导体气体传感器时,敏感材料的浆料配方制备至关重要,直接影响传感器的特性。目前,绝大部分的敏感材料浆料的配方设计和制备方法均不能满足传感器的要求,制备的传感器的灵敏度较低和长期工作稳定性较差,这直接影响和限制了这些传感器的实际应用领域。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供气敏元件敏感材料,旨在解决现有气敏元件敏感材料在应用到半导体气体传感器时,所制备的传感器的灵敏度较低,长期工作稳定性较差的问题。为实现上述目的,本专利技术提出一种气敏元件敏感材料,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr-SnO286~96wt%,Sb2O31~6wt%,SiO20.5~3.5wt%,CaF20.2~2.5%wt%,PdCl21~4wt%。可选地,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr-SnO291~95wt%,Sb2O32.5~4wt%,SiO20.5~2.5wt%,CaF20.5~1.5%wt%,PdCl20.5~2wt%。可选地,所述Zr-SnO2中,Zr的掺杂量为0.8~1.5wt%。可选地,所述Zr-SnO2呈粉末状,且粒径为20~80nm。可选地,所述Sb2O3呈粉末状,且粒径为20~60nm。可选地,所述SiO2呈粉末状,且粒径为20~60nm。可选地,所述CaF2呈粉末状,且粒径为20~60nm。可选地,所述气敏元件敏感材料还包含有与所述Zr-SnO2,Sb2O3,SiO2,CaF2和PdCl2相混合的液态载体。可选地,所述液态载体为水-乙醇-松油醇混合溶液。本专利技术还公开了一种气敏元件敏感材料的制备方法,包括如下步骤:将Zr-SnO2,Sb2O3,SiO2,CaF2和PdCl2混合并分散于液态载体中,获得气敏元件敏感材料。可选地,所述将Zr-SnO2,Sb2O3,SiO2,CaF2和PdCl2混合并分散于液态载体具体为:将所述Zr-SnO2,Sb2O3,SiO2,CaF2,PdCl2和液态载体混合,并进行湿磨。可选地,所述液态载体为水-乙醇-松油醇混合溶液。本专利技术技术方案通过配方设计合理,所制备的气敏浆料均匀,并通过对SnO2进行微量掺杂Zr元素,有效抑制SnO2晶粒生长,并有效避免直接引入ZrO2而导致不良分散的问题,再通过合理控制CaF2、Sb2O3、SiO2和少量PdCl2等配比,显著改善敏感膜稳定性和提高敏感膜的气敏反应活性;同时,合理控制各配方组分的尺寸粒径,改善气敏元件灵敏度和长期工作稳定性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为实施例1~3所制备的气敏元件和对比例1样品对100ppm乙醇气体的灵敏度随工作温度变化曲线图;图2为实施例1~3所制备的气敏元件和对比例1样品的长期工作稳定性曲线;图3为对比例2气敏元件的长期工作稳定性曲线;图4为实施例3气敏元件连续上电工作2个月后敏感膜的扫描电镜图;图5为对比例2气敏元件连续上电工作2个月后敏感膜的扫描电镜图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。需要说明,本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。另外,在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本专利技术要求的保护范围之内。本专利技术提出一种气敏元件敏感材料,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr-SnO286~96wt%,Sb2O31~6wt%,SiO20.5~3.5wt%,CaF20.2~2.5%wt%,PdCl21~4wt%。以Zr-SnO2纳米颗粒为敏感材料,其比表面积大,空隙结构丰富,表面和内部活性高,在空气中,其表面能大量吸附氧分子,在一定的加热温度下,其化学吸附的氧将以O-或O2-的形成存在,由于这些氧负离子的吸附,敏感材料表面形成一定的电子耗散层,导致SnO2粒子间产生高势垒,引起敏感材料表面电阻增加。当敏感材料遇到还原性气体(如H2、CO、CH4等)后,还原性气体与吸附在敏感材料表面的氧负离子发生反应,并将氧捕获的电子释放回敏感材料表面,从而使敏感材料电阻降低。因此,通过上述敏感材料制备成敏感元件时,通过检测敏感元件的电导变化从而实现对气体的检测。由于SnO2纳米颗粒在长期的高温环境下,晶粒会出现生长,气敏性能会出现漂移,长期工作稳定性较差,为此,在合成SnO2过程中,通过引入氯氧化锆ZrOCl2,其中Zr元素参与SnO2晶粒的生长,从而比直接掺杂ZrO2能够更加有效的抑制敏感膜中SnO2晶粒的生长,保证所形成的敏感膜的长期工作稳定性和灵敏度,并且,Zr掺杂能够增强敏感膜对气体的吸附,降低气敏元件的工作温度,且Zr元素的适量掺杂能够降低敏感膜电阻,有利提高灵敏度。同时,进一步通过引入粘结相提高SnO2基敏感膜的长期工作稳定性,引入粘结相能够使敏感材料粒子在烧结过程中连接、拉紧、固定,并使敏感膜与基体牢固地粘接在一起,提升气敏元件的长期工作稳定性。其中,SiO2发挥粘结相的基本骨架;Sb2O3降低敏感材料颗粒界面处的势垒,降低敏感膜的电阻,有利提高材料灵敏度。CaF2能够有效降低粘结相中各组分在烧结过程中的表面熔化温度,同时,保证整个粘结相的电性能和化学性能,利于提高敏感膜的长期工作稳定性和灵敏度。另外,PdCl2作为催化剂前驱体,在后续浆料配方处理过程中将生成纳米级单质Pd或PdO,催化气敏反应,提高灵敏度和气体选择性。进一步地,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr-SnO291~95wt%,Sb2O32.5~4wt%,SiO20.5~2.5wt%,CaF20.5~1.5%wt%,PdCl20.5~2wt%。进一步地,所述Zr-SnO2中,Zr的掺杂量为0.8~1.5wt%。纯SnO2的电阻很大,当掺杂一定量Zr,可以使Zr-SnO2中的有效施主密度Nd,通过Zr-SnO2表面的电子电荷密度增大,电阻大大降低,有利于提高灵敏度。Zr的掺杂可采用现有技术进行,例如采用溶胶凝胶法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气敏元件敏感材料,其特征在于,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr‑SnO2 86~96wt%,Sb2O3 1~6wt%,SiO2 0.5~3.5wt%,CaF2 0.2~2.5%wt%,PdCl2 1~4wt%。

【技术特征摘要】
1.一种气敏元件敏感材料,其特征在于,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr-SnO286~96wt%,Sb2O31~6wt%,SiO20.5~3.5wt%,CaF20.2~2.5%wt%,PdCl21~4wt%。2.如权利要求1所述的气敏元件敏感材料,其特征在于,所述气敏元件敏感材料含有如下组分:Zr-SnO291~95wt%,Sb2O32.5~4wt%,SiO20.5~2.5wt%,CaF20.5~1.5%wt%,PdCl20.5~2wt%。3.如权利要求1所述的气敏元件敏感材料,其特征在于,所述Zr-SnO2中,Zr的掺杂量为0.8~1.5wt%。4.如权利要求1至3中任一项所述的气敏元件敏感材料,其特征在于,所述Zr-SnO2呈粉末状,且粒径为20~80nm。5.如权利要求1至3中任一项所述的气敏元件敏感材料,其特征在于,所述Sb2O3和/或所述SiO2呈粉末状,且粒径为20~60nm。6.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员:林勇罗彪张天宇
申请(专利权)人:广东美的制冷设备有限公司美的集团股份有限公司
类型:发明
国别省市:广东,44

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