原创 纳米气体传感器研究

 来源: 中国机电企业网

   在纳米技术中，纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平，而纳米传感器恰恰就是纳米器件研究中的一个极其重要的领域。
 
　　随着工业生产和环境检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米气敏传感器已获得长足的进展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器[1]。用纳米材料作为敏感材料构成的气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点：一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是大大降低了传感器工作温度；三是大大缩小了传感器的尺寸。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展前途。

　　研究点滴：
 
　　美国伦斯勒理工学院[2]在Nature上发表文章，介绍了一种微型气体传感器样品，能够非常灵敏地定量及定性分析大气中的各种气体。制作方法是：首先利用化学气相沉积法在二氧化硅基底上生长多壁碳纳米管（MWCNT）。在MWCNT两端加上厚约180μm的绝缘玻璃板，然后再用铝膜覆盖起来，气体传感器即告完成。利用气体传感器测定周围的气体成分时，以MWCNT端为阳极，铝膜端为阴极，施加直流电压。在MWCNT顶端，很低的电压就会产生强电场，从而在周围离子化气体中发生介质击穿现象。
 
　　北京大学[3]制成一种TiO2／PtO?DPt双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。其敏感材料的制备方法是先在玻璃衬底上覆盖上一层由Pt纳米颗粒构成的表面氧化的多孔连续膜，其中Pt的纳米颗粒直径大约1.3 nm， 膜厚大约100 nm， 然后在PrO?DPt膜上覆盖TiO2膜，其中TiO2纳米颗粒的直径尺寸从3.4 nm到5.4 nm，平均直径4.1 nm。传感器的工作温度在180-200℃，PtO?DPt多孔膜作为催化剂使TiO2纳米膜对氢气产生部分还原作用，从而使传感器在空气中，甚至在CO、NH3、CH4等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性，比以前的钛基探测氢气的传感器有显著的提高。
 
　　美国斯坦福大学[4]用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2／Si基片上可制得单个的单壁碳纳米管，两种金属被用来连接S-SWNT时，形成金属／S?DSWNT／金属结构，呈现出P型晶体管的性质。气体探测试验是把S-SWNT样品放在个带着电引线的密封的500 mL的玻璃瓶中，通入在空气或者氩气中稀释的NO2 ((2-200)×10－6 )或者NH3(0.1％一1％)，流速700mL／min。检测S?DSWNT的电阻变化，在NH3气氛中其电导可减小两个数量级，而在NO2气氛中电导可增加3个数量级。其工作机理是半导体单壁碳纳米管在置于NH3气氛中时，使价带偏离费米能级，结果使空穴损耗导致其电导变小；而在NO2气氛中时，使价带向费米能级靠近，结果使空穴载流子增加从而使其电导增加。
 
　　专利介绍：
 
　　国内外在相关领域都有多项专利，以下选取几件简单介绍。
 
　　上海大学2004年2月18日公开了CN1475798二氧化锡纳米传感器件的制造方法[5]，属半导体传感器气敏元件制造工艺技术领域。该发明方法主要采用AFM微细加工技术，控制探针尖端电压和扫描方式条件下以及在水分子存在的条件下，对金属锡电极表面进行局部阳极氧化，从而加工得到二氧化锡纳米结构传感器件。本发明方法制得的二氧化锡纳米传感器在常温下对氢气非常敏感，同时具有很好的选择性，可以作为检测环境中氢气浓度的传感器。
 
　　清华大学2003年8月13日公开了CN1435685基于纳米材料的发光气敏传感器及纳米材料的成膜工艺[6]，传感器包括：加热器、与加热器相连的陶瓷基底，涂在陶瓷基底另一侧面上的纳米材料膜以及套装在由加热器、陶瓷基底和纳米材料膜构成的传感器外且带有进、出样口的石英封装件。它利用了纳米材料高催化活性的特点，制成了灵敏度高、无损耗、长寿命、易于微型化和器件化的化学发光气敏传感器。
 
　　美国NANOMIX公司2005年6月16日公开了US2005129573二氧化碳纳米电子传感器[7]，发明了一个利用纳米结构传感器检测二氧化碳的电子系统和方法。CO2传感器由衬底和分布其上的纳米结构组成。纳米结构可以是碳纳米管或纳米管的网状结构，衬底上有两个电极与纳米管连接，门电极可放置在纳米结构对面。与CO2反应的材料置于纳米管上。传感器与电路连接，能够探测出环境中CO2的浓度变化。
 
　　2004年11月16日，美国昆腾集团公司的专利US6819811纳米尺寸的气体传感器系统[8]被授权。该专利提出一种利用光响应检测气体种类及浓度的仪器和方法。该传感器具有尺寸小、速度快和成本低的优点。这项发明通过光子检测传感器对气体的响应方式来应用。检测系统包括一个与传感器耦合的光子源和光电二极管系统，从而光子通量成为至少一个传感器对目标气体响应的函数。
 
　　1999年10月5日日本公开了JP11271266检测NOx气体成分的实时测量气体传感器[9]，发明了一种可实时精确测量NOx气体成分的传感器。传感器的一面是一个感应电极，其中有一计数器电极，另一面是一参考电极。感应电极上覆盖一层金属(WO3)层，上面可以再加一层NO氧化催化剂。
 
　　产品实例：
 
　　2003年7月，美国纽约Rensselaer理工学院的研究人员开发出一种新型微型传感器[10]，它利用密集的碳纳米管阵列来根据气体的特征击穿电压和电流检测它们。这种传感器可检测NH3、CO2、N2、O2、He、空气和气体混合物。由于这种传感器结构简单，成本较低，因此以这种技术为基础研制用电池驱动的便携式气体监控装置将会成为现实。
 
　　2005年7月21日，俄罗斯托木斯克科学家利用100毫微米的氧化物薄膜制成了气体传感探测器[11]，其超高灵敏度能使它在较大空间范围内非常精确地发现有毒气体的存在。