偏锡酸锌气敏元件制造技术

本发明专利技术用ＺｎＳｎＯ－［３］或Ｚｎ－［２］Ｓｎ－［４］，添加一定的ＳｉＯ－［２］，ＡＬ（ＯＨ）－［３］作为填充剂和粘合剂，通过研磨、涂料、烧结等工艺可制成直热式、旁热式等半导体气敏元件．采用丝网印刷技术、真空蒸发及溅射技术，亦可制厚膜或薄膜型半导体气敏元件．经测试表明，用上述材料和工艺制成的气敏元件，对氢气、水煤气等气体敏感，具有较高的稳定性和选择性．可用于氢气、水煤气、石油液化气等的检测及报警．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属气体检测器件
人类的各种活动都是在气氛的环境中进行的，生产及生活活动也离不开一定的气氛环境。气氛的状况对于人类的生存有着巨大影响。随着科学技术的发展，工业生产的种类和规模逐渐扩大，在生产中使用的气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量也在增加。这些气体中有不少是易燃易爆的。它们泄漏到空气中不仅严重地污染环境，而且还有可能引起火灾和爆炸事故，给生产和生命安全带来危险。另外，由于生产的发展和生活水平的提高，液化石油气、城市煤气及天然气等作为家庭燃料迅速普及，因这些可燃性气体的泄漏引起的爆炸和火灾事故也日益增多。因此，为了保证安全生产和生活，防止由此引起的各种事故的发生，有利于生产和生活的正常进行，对各种易燃易爆性气体进行检测，及时采取预防措施，成为气体检测中的重要工作之一。目前现行实用的气体检测方法主要有电化学方法;光源方法(包括发光);电学方法等多种方法。利用半导体气敏器件来检测气体的方法，是电学检测气体的一种方法。在检测易燃易爆性气体方面，半导体气敏器件具有使用方便、价格便宜、灵敏度高，可靠性好等优点。因此，是检测易燃易爆性气体的较好方法之一。电子工业科技委敏感元件咨询组《敏感元件专辑》，(1983);高桥清、小长井诚《センサIレクトロニクス》，(1984，昭晃堂)等文献表明，最早的半导体气敏元件氧化锌薄膜器件是六十年代初期研制成功的。它是利用在加热条件下，氧化锌薄膜电阻随接触的可燃性气体的浓度的增加而下降，从而实现对N2O和CO气体的检测。以后又研制出SnO2系列、r-Fe2O3系列等气敏元件。半导体气敏元件分为电阻型和非电阻型，电阻型的一般是以其电阻值随气体浓度的变化来测定被测气体，器件结构多为多孔质烧结体。非电阻型是利用气体吸附影响半导体的功函数变化来检测气体。现行常用的SnO2，r-Fe2O3型气敏元件，一般制作周期较长，需添加pt、pd等贵金属作催化剂，恒温时间需几小时乃至十几小时。由于半导体气敏元件有灵敏度高、用途广泛等特点。因此近几十年来得到了迅速的发展。进一步开展多品种半导体气敏新材料及其元件的研究，是当今半导体气敏元件气体检测
的重要课题之一。为了寻找新的半导体气敏材料及其用该材料做成的元件，降低使用价格，扩大测定范围，推动我国半导体气敏材料及器件研究的发展。云南大学物理系研制成功了用ZnSnO3和Sn2SnO4来制作气敏元件。初步研究表明，它不象现在常用的SnO2、r-Fe2O3型气敏元件制作时需添加pt、pd等贵金属作催化剂，只需添加价格便宜的SiO2、Al(OH)3作为填充剂和粘合剂;制作工艺简单，恒温时间短，可缩短制作周期，节省能源和人力;可制成直热式，旁热式、薄膜、厚膜等多种结构;控制元件的加热温度，可得到不同气体的敏感度。经测试和分析，对氢、一氧化碳、水煤气等气体都敏感。通过精选配方和改进制造工艺，还可使其具有较高的选择性和稳定性，可用于液化石油气、家用煤气、温度等的检测与报警。本专利技术经《世界专利索引》74-86·16期，《化学文摘》74-86(104，1-8卷)，86年中文专题资料检索表明，尚未发现与本专利技术相同的制作工艺及元件。本专利技术的材料制作工艺是采用化学制备方法即湿法合成ZnSnO3(Zn2SnO4)，具体方法是以锌盐及锡盐作为基本原料，首先制成锌氨络离子Zn(NH3)4，再合成锌锡氧化物的水合物Zn〔Sn(OH)〕，经过灼烧脱水，则可制成ZnSnO3(Zn2SnO4)。具体步骤是取一定量的ZnSO4溶液，室温下搅拌滴加一定浓度的氨水，生成白色沉淀，继续滴加氨水，直至溶液澄清。其反应为在上述溶液中加入等摩尔的SnCl4溶液，在一定温度下搅拌上述溶液，立即生成白色沉淀Zn〔Sn(OH)6〕↓。其反应可表为将所得溶液过滤，洗涤，得到的白色沉淀Zn〔Sn(OH)6〕放入铂坩埚中，在摄氏380度至400度灼烧脱水，则可制成ZnSnO3其反应为当加热到摄氏800度左右时，可得到Zn2SnO4。本专利技术的基本原理是，ZnSnO3半导体敏感材料是一种高级高频绝缘材料，在高温中加热至约摄氏800度时，ZnSnO3可分解成Zn2SnO4和SnO2，形成三者混合材料。由于SnO2，Zn2SnO4也都是半导体敏感材料，这些材料晶格中氧离子、酸根离子发生缺位，遇到离解能较小而容易失去电子或空穴的气体分子时，载流子浓度增加，电阻减小，因而对氢、水煤气等气体特别敏感。一般认为，由于半导体表面吸附气体分子，填充晶格中的缺位，释放出电子或空穴，从而使晶体中载流子增多，电阻率下降。当气体分子逸出时，电阻率又恢复原值。这样就可以通过一个简单的测试电路把电阻率变化与测试气体的含量联系起来。通过定量分析，就可以测出不同浓度的气体。本专利技术的元件制作工艺是采用直热式、旁热式、厚膜型结构和烧结工艺。以直热式结构为例的制作工艺是先在ZnSnO3材料中加入SiO2，Al(OH)3酸洗石棉，经过研磨、烧结、加焊管座等工艺制成元件。具体工艺是，按ZnSnO390～95%，SiO22～5%，Al(OH)32～5%的配方称好的材料，用球磨机或玛瑙碾钵研磨，越细越好。电极用直径为0.04～0.09毫米，电阻为4～20欧姆的铂金丝制成，绕成螺旋管状，约10圈左右，螺旋管长约1毫米。将研磨好的基体材料，调成浆糊状，涂在安好的电极模具中，要全部复盖住螺旋管状电极从而制成管芯。将涂敷的管芯，经自然干燥后，放在特制的托架上，放进烧结炉中烧结。烧结的条件是加温至摄氏500～800度，恒温5～30分钟(升温速率为摄氏1-4度/分)，恒温后迅速冷却至室温。然后用通电加热对烧结后的管芯进行老化;将管芯焊在底座上，放入专用的老化台通电老化。时间为100小时以上，以便改善器件的性能，增加稳定性，陶汰不合格品。对老化后的器件进行各项参数的测量，将合格的管芯，用100目双层不锈钢封好，经测试检查，合格包装入库。直热式结构和旁热式结构元件烧结工艺流程如下称料→研磨→涂料→加电极→烧结→焊管座→初测。用上述直热式或旁热式结构烧结工艺，利用丝网印刷技术，加热材料采用RuO，电极材料采用Au，可制成厚膜型元件。用真空蒸发或贱射技术亦可制成薄膜型元件。图1是ZnSnO3气敏元件电阻值随各种气体浓度的变化。由图可以看出，当氢的浓度逐渐增加到1000ppm时，其电阻可由上兆欧变到几千欧，其变化范围为几百倍到近千倍。可见其灵敏度是很高的，而水煤气可达近百倍。对甲烷虽也敏感，但其变化仅为两倍左右。除此之外，测定还表明该种元件的响应时间和恢复时间也快。利用ZnSnO3制成的半导体气敏元件，具有以下特性元件的工作温度为摄氏100～350度。经测试表明，对氢、一氧化碳、水煤气、石油液化气、烷类气体、汽油、丙酮、酒精等可燃性气体有不同程度敏感，但尤以对氢最敏感。就氢、甲烷、水煤气、石油液化气而言，加热功率为1瓦时，灵敏度β0.5＝ (RA)/(R0.5) 分别为150～350，1.5～2.5，35～45，10～12。其中RA为清洁空气中试样的电阻，R0.5为空中含有百分之0.5被测气体时的电阻。就对氢的灵敏而言远超过SnO2系列元件和Fe2O3系列元件，就对水煤气而言也比其它两类元件灵敏。利用Zn2SnO4，采用类似上述的配方也可制成类似上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体气敏元件，其特征在于采用ＺｎＳｎ↓〔３〕或Ｚｎ↓〔２〕ＳｎＯ↓〔４〕作元件材料，用一定的配方和烧结工艺制成。

【技术特征摘要】
1.一种半导体气敏元件，其特征在于采用ZnSn3或Zn2SnO4作元件材料，用一定的配方和烧结工艺制成。2.根据权利要求1所述的气敏元件，其特征在于所述的配方是ZnSnO3或Zn2SnO4为90～95%，SiO2为2～5%，Al(OH)3为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴兴惠，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]