一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于气体传感器领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的气体传感器包括：导电纤芯；包覆在所述导电纤芯侧面的二氧化硅包层；缠绕固定于所述二氧化硅包层表面的两个气体检测电极；包覆在所述二氧化硅包层表面的金属氧化物半导体层，两个所述气体检测电极的自由端从所述金属氧化物半导体层穿出；和设置在所述导电纤芯两端的加热电极。本发明专利技术提供的气体传感器以导电纤芯作为热源，以二氧化硅作为绝缘基底，具有热源利用率高、体积小、制备工艺简单等优点，且该气体传感器还具有一定的柔韧性，使金属氧化物半导体气体传感器的柔性可穿戴应用成为可能。用成为可能。用成为可能。

【技术实现步骤摘要】
一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于气体传感器领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]气体传感器是一种能够检测目标气体的种类及浓度，并将其以电信号进行输出的器件。气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器等。其中金属氧化物半导体气体传感器是半导体气体传感器中的一种，具有响应快、灵敏度高、性能稳定、结构简单、成本低等特点，在所有种类气体传感器中占比约60％，目前获得广泛的研究和应用，如ZnO、SnO2、Fe2O3、In2O3、WO3、TiO2、Co3O4等，已被开发为气体检测活性材料。金属氧化物半导体气体传感器的灵敏度与其工作温度相关，一般在200℃以上传感器具有最高的响应灵敏度。
[0003]目前，常见的金属氧化物半导体气体传感器通常是将气敏材料涂敷在陶瓷管和直接生长在MEMS等硬性基底上，具有以下缺点：
[0004](1)对于陶瓷管结构的气体传感器而言，普遍是采用陶瓷管内置加热丝的工艺，但是这种方法做出的加热层由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果，从而大大增加了功耗。
[0005](2)对于MEMS传感器技术方案中，为降低功耗，实现结构保温普遍采用绝热槽。目前，基于MEMS加工技术制作的硅基气体传感器普遍采用的结构是：在单晶硅基底的上表面沉积一层氮化硅膜层作为下绝缘层，在单晶硅基底的下表面制备绝热槽。制备绝热槽时可使用背面湿法刻蚀工艺，也可先对下绝缘层蚀刻出悬臂梁，再往下湿法刻蚀出倒金字塔式绝热槽。两种绝热槽可以更好的防止热量的散失以降低功耗。下绝缘层上方通过剥离工艺(lift
‑
off)加工出铂加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成气体传感器工作所需要的温度。在铂加热丝表面上又沉积一层氮化硅层作为上绝缘层，最后沉积温度敏感层和气体敏感层。但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层与气体敏感层仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被悬臂结构的支撑衬底支撑，这种薄膜结构的绝缘层力学性能较差，在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。除此之外，由于隔热层与加热丝的热膨胀系数的差异，在高温下隔热层易翘曲使加热丝易从隔热层脱落，同样导致器件失效。其次，悬臂结构的绝热槽利用悬臂之间的空气隔热，由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果。再次，该种绝热槽的制备工艺复杂，对控制条件要求较高，从而增加了加工难度。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用，本专利技术提供的气体传感器热源利用率高，体积小。
[0007]本专利技术提供了一种金属氧化物半导体气体传感器，包括：
[0008]导电纤芯；
[0009]包覆在所述导电纤芯侧面的二氧化硅包层；
[0010]缠绕固定于所述二氧化硅包层表面的两个气体检测电极；
[0011]包覆在所述二氧化硅包层表面的金属氧化物半导体层，两个所述气体检测电极的自由端从所述金属氧化物半导体层穿出；
[0012]和设置在所述导电纤芯两端的加热电极。
[0013]优选的，所述导电纤芯为掺杂硅纤维。
[0014]优选的，所述导电纤芯的直径为5～20μm。
[0015]优选的，二氧化硅包层的外径为80～150μm。
[0016]优选的，所述金属氧化物半导体层的成分为氧化锌、三氧化钨、氧化锡、二氧化钛和三氧化二钴中的一种或多种。
[0017]优选的，所述金属氧化物半导体层中材料的微观形貌为纳米棒、纳米带、纳米线、纳米梳、纳米针、纳米花、纳米管、纳米螺旋和纳米环中的一种或多种。
[0018]本专利技术提供了一种金属氧化物半导体气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0019]a)将导电纤芯原料物装填到二氧化硅预制件中，进行热拉伸，得到二氧化硅复合纤维；
[0020]所述二氧化硅复合纤维包括导电纤芯和包覆在所述导电纤芯表面的二氧化硅包层；
[0021]b)对所述二氧化硅复合纤维进行切割，得到复合纤维段；然后在所述复合纤维段的两端分别缠绕固定气体检测电极；
[0022]c)在完成步骤b)处理的复合纤维段的表面生长金属氧化物半导体层；
[0023]d)完成步骤c)处理后，去除生长在复合纤维段两端的金属氧化物半导体，使导电纤芯重新暴露；然后在导电纤芯的两端设置加热电极，得到金属氧化物半导体气体传感器。
[0024]优选的，步骤a)具体包括：
[0025]a1)将导电纤芯原料物装填到二氧化硅预制棒中，进行热拉伸，得到二氧化硅复合纤维半成品；
[0026]a2)将所述二氧化硅复合纤维半成品装入二氧化硅纤维管中，进行热拉伸，得到二氧化硅复合纤维。
[0027]优选的，步骤c)中，生长所述金属氧化物半导体层的方法包括气相沉积法、原子层沉积法、模板法、溶剂热法、固相反应法、溶胶
‑
凝胶法、静电纺丝和微波辅助法中的一种或多种。
[0028]本专利技术提供了一种柔性衬底传感器，包括：柔性衬底和固定在所述柔性衬底上的若干个气体传感器；所述气体传感器为上述技术方案所述的金属氧化物半导体气体传感器或上述技术方案所述制备方法制得的金属氧化物半导体气体传感器。
[0029]与现有技术相比，本专利技术提供了一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法和应用。本专利技术提供的气体传感器包括：导电纤芯；包覆在所述导电纤芯侧面的二氧化硅包层；缠绕固定于所述二氧化硅包层表面的两个气体检测电极；包覆在所述二氧化硅包层表面的金属氧化物半导体层，两个所述气体检测电极的自由端从所述金属氧化物半导体层穿出；和设置在所述导电纤芯两端的加热电极。本专利技术提供的技术方案以导电纤芯作为热源，
以二氧化硅作为绝缘基底，纤芯通电后产生的焦耳热可全部通过热传导的方式对金属氧化物半导体气敏材料进行加热，实现电热能的100％利用，解决了现有金属氧化物半导体气体传感器进行加热时传热损耗较大的问题；而且，本方案中的绝缘基底材料—二氧化硅可直接原位生长金属氧化物半导体，从而可以降低在基底上设置气敏材料层的技术难度，工艺实施门槛较低，更有利于商业化推广；此外，由于本方案采用纤维状的基底材料，相较于传统陶瓷管和MEMS基底，可以显著缩小气体传感器的整体体积，且可以是气体传感器具有一定的柔韧性，使金属氧化物半导体气体传感器的柔性可穿戴应用成为可能。
附图说明
[0030]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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0031]图1是本专利技术实施例提供的金属氧化物半导体气体传感器的结构示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物半导体气体传感器，包括：导电纤芯；包覆在所述导电纤芯侧面的二氧化硅包层；缠绕固定于所述二氧化硅包层表面的两个气体检测电极；包覆在所述二氧化硅包层表面的金属氧化物半导体层，两个所述气体检测电极的自由端从所述金属氧化物半导体层穿出；和设置在所述导电纤芯两端的加热电极。2.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，所述导电纤芯为掺杂硅纤维。3.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，所述导电纤芯的直径为5～20μm。4.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，二氧化硅包层的外径为80～150μm。5.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，所述金属氧化物半导体层的成分为氧化锌、三氧化钨、氧化锡、二氧化钛和三氧化二钴中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体气体传感器，其特征在于，所述金属氧化物半导体层中材料的微观形貌为纳米棒、纳米带、纳米线、纳米梳、纳米针、纳米花、纳米管、纳米螺旋和纳米环中的一种或多种。7.一种金属氧化物半导体气体传感器的制备方法，包括以下步骤：a)将导电纤芯原料物装填到二氧化硅预制件中，进行热拉伸，得到二氧化硅复合纤维；所述二氧化硅复合纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：仝召民，舒宏伟，牛峰，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：