专利名称：碳纳米管薄膜气体传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及薄膜传感器领域的吸附式气体传感器，具体涉及一种采用在叉指型电容电极上移植多壁碳纳米管-二氧化硅(SiO2和MWNTS)复合薄膜作为气敏元的气体传感器。该传感器通过被测气体在气敏元表面的化学吸附情况，来检测气体的浓度。
背景技术：
传感器中重要的一类是化学传感器，而气体传感器又是化学传感器的重要组成部分。组成气体传感器材料的微粒粒度越小，比表面积越高，传感器与周围气体的接触而发生相互作用越大，敏感度越高。碳纳米管的中空结构和外壁使它具有很大的表面积以供气体吸附。而在室温下的不同气氛中，它们的电学特性又会发生改变，因此在制作传感器件方面具有广泛的应用前景。纳米传感器的应用研究才刚刚起步，但它已显示出其他传感器无法企及的优点敏感度高，形体小，能耗低，功能多等。根据申请人所进行的资料检索，未查到与本实用新型有关的文献。

发明内容
本实用新型的目的是提供一种结构简单、工作可靠、使用寿命长、制备工艺简单的气体传感器，可以广泛用于甲烷，一氧化碳，氢气，乙炔等气体的测试，具有满意的敏感性。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种碳纳米管薄膜气体传感器，包括一玻璃或半导体材料或金属的基底及外部引线；其特征在于，在基底上印刷有叉指型电极，并在叉指型电极上覆盖有二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上有一层多壁碳纳米管和二氧化硅混合的复合薄膜层。
本实用新型的其他一些特点是，所述的二氧化硅绝缘层是二氧化硅溶胶—凝胶。
二氧化硅溶胶—凝胶采用正规酸乙酯、无水乙醇、浓盐酸、去离子水按比例混合而成。
多壁碳纳米管和二氧化硅混合的复合薄膜层采用在异丙醇中的分散，经过搅拌、超声、加热后，与SiO2溶胶—凝胶充分混合得到SiO2和MWNTS复合浆料；叉指型电极采用丝网印刷工艺制备，电极材料选择铝或金或银或其它导电材料制浆印刷而成；也可以采用采用旋转甩涂法制备。
由于本实用新型采用在叉指型电容电极上移植多壁碳纳米管-二氧化硅(SiO2和MWNTS)复合薄膜，作为气敏元的吸附式叉指电容型碳纳米管薄膜气体传感器，具有结构简单、工作可靠、使用寿命长、制备工艺简单、敏感性好等优点。可以广泛用于甲烷，一氧化碳，氢气，乙炔等气体的测试。


图1是本实用新型截面结构图；图2是本实用新型叉指电容电极版图；图3是透射电子显微镜观察的碳纳米管电镜图，其中(a)是放大10000倍的图；(b)是放大50000倍的图；图4、图5是样品1#和2#在氢气中测试结果曲线图；图6是样品2#在C2H2中测试结果曲线。
具体实施方式
以下结合附图和设计人按上述技术方案完成的实施例对本实用新型作进一步详细说明。以下的实施例只是较优的例子，本实用新型不限于该实施例。
参见图1，一种碳纳米管薄膜气体传感器，包括玻璃或半导体材料或金属的基底1及外部引线；在基底1上印刷有叉指型电极4，并在叉指型电极4上覆盖有二氧化硅绝缘层2，在二氧化硅绝缘层2上有一层多壁碳纳米管和二氧化硅混合的复合薄膜层3。
二氧化硅绝缘层2是二氧化硅溶胶—凝胶，是将正规酸乙酯、无水乙醇、浓盐酸、去离子水按一定比例混合制备而成；MWNT和SiO2混合构成复合薄膜层3，其中的碳纳米管是由低压CVD法制备而成，杂质含量低，碳纳米管互相缠绕如图3所示。在异丙醇中的分散，经过搅拌、超声、加热后，与SiO2溶胶—凝胶充分混合得到SiO2和MWNTS复合浆料；叉指型电极4的版图如图2所示，叉指型电极4被二氧化硅绝缘层2分隔，并且使叉指型电极4上面被二氧化硅绝缘层2覆盖。叉指型电极4用丝网印刷工艺将银浆印刷在基底1上，电极厚度为20～30um，电极间距为500um，线宽为500um。
采用SiO2和MWNTS复合薄膜，碳纳米管的中空结构和外壁使它具有很大的表面积以供气体吸附，传感器与周围气体的接触而发生相互作用越大，敏感度越高。
所述碳纳米管的制备方法也可以采用其它形式，比如热解法、电弧放电和PEVCD法等。
所述SiO2和MWNTS复合薄膜的成型，既可以采用丝网印刷法，也可以采用旋转甩涂法等。
所述叉指型电容电极材料可以选择铝、金、银等其它材料。
将制作好的碳纳米管薄膜气体传感器放在密封型气体测试装置中进行测量。
1.密封型气体测试装置密封型气体测试装置是一个为25×25×30cm3的密封气箱，安装有带阀控装置进气管和出气管，气箱一侧装有直径为3cm的圆形橡胶注气窗，可以用注射器通过此窗向气箱内注入待测气体，待测气体浓度为c=ViV···(1)]]>
其中，c为待测气体浓度，Vi为注入的待测气体体积，V为气箱容积。气箱中放置一瓶饱和NaCl溶液，确保其中相对湿度为75％，以排除湿度对测试的干扰。
2.本发明按照下述常规工艺制备(1)、叉指型电极电容型传感器广泛用于气敏传感器，设计了平面叉指型电极电容传感器，这种几何形状可以提供传感器与气体作用时最大的表面积。电极版图如图2所示，在玻璃基底上用丝网印刷工艺将银浆印刷成叉指型电极，电极厚度为20～30um，电极间距为500um，线宽为500um。
(2)、SiO2绝缘层将正规酸乙酯、无水乙醇、浓盐酸、去离子水按一定比例混合，制备出SiO2溶胶—凝胶。在平面叉指型电极上淀积一层SiO2，以保证电极不被碳纳米管短路。
(3)、碳纳米管分散CVD法制备出的碳纳米管杂质含量低，但碳管互相缠绕，需要充分分散后才能制备碳纳米管浆料。在异丙醇中的分散，经过搅拌、超声、加热后，与SiO2溶胶—凝胶充分混合得到SiO2和MWNTS复合浆料，与有机物混合后得到MWNTS有机浆料。
(4)、传感器器件制作用甩涂的方法分别将SiO2和MWNTS复合浆料和纯的MWNTS有机浆料甩涂在平面叉指型电极上制作了两种电容型传感器。将甩涂后的器件在室温中晾干，送入高温(580℃)烧结炉中在氮气保护下烧结，消除碳管中的有机物，得到较纯的SiO2和MWNTS复合膜和MWNTS膜，降至室温后，用导线将银浆电极引出。
2.实验测试制作出的传感器放在测试系统中进行测试，结果发现，SiO2-MWNTS复合膜传感器显示出随气体浓度变化的趋势。
根据SiO2-MWNTS复合膜面积的大小，分为1#和2#样品，2#样品的面积大约是1#样品面积的2倍。图4～6是测量结果，被测气体分别为氢气和乙炔，测试仪器为RLC测试仪，图4，图5分别为1#和2#样品在氢气气氛中的测试结果，纵轴是阻抗值变化范围；横轴是氢气浓度变化值，单位是ppm，1ppm＝1,000,000分之一，为体积浓度比。
从图4中可以看出，当氢气体积浓度比从0升至800ppm时，随着氢气体积浓度比的增加，阻抗逐渐变大，从4.75千欧到5.22千欧。图5与图4的不同表现为它的阻抗值变化保持在一个较小范围内，从0到800ppm，阻抗值从1.06千欧升至1.18千欧。
图6为1#在乙炔气氛中测试结果，横轴是乙炔气浓度变化值，范围是0～3000ppm，阻抗变化范围是3.83千欧到4.03千欧。
可以看出，该薄膜气体传感器对氢气和乙炔均有强的灵敏度，而且在较大的范围内均有输出响应。
权利要求1.一种碳纳米管薄膜气体传感器，包括一玻璃或半导体材料或金属的基底(1)及外部引线；其特征在于，在基底(1)上印刷有叉指型电极(4)，并在叉指型电极(4)上覆盖有二氧化硅绝缘层(2)，在二氧化硅绝缘层(2)上有一层多壁碳纳米管和二氧化硅混合的复合薄膜层(3)。
2.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜气体传感器，其特征在于，所述的二氧化硅绝缘层(2)是二氧化硅溶胶-凝胶。
专利摘要本实用新型公开了一种碳纳米管薄膜气体传感器，包括一由玻璃或半导体材料或和金属制备的基底以及外部引线；其特点是，在基底上设置一层二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层中分布有叉指型电极，叉指型电极被二氧化硅绝缘层分隔，并且使叉指型电极上面被二氧化硅绝缘层覆盖；在最上边设置有一层由多壁碳纳米管和二氧化硅混合的复合薄膜层。由于本实用新型采用在叉指型电容电极上移植多壁碳纳米管－二氧化硅(SiO
文档编号G01N27/333GK2751305SQ20032010999
公开日2006年1月11日 申请日期2003年12月29日 优先权日2003年12月29日
发明者刘君华, 李昕, 朱长纯 申请人:西安交通大学