【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及氣體傳感器，尤其涉及一種金屬氧化物纖維氣體傳感器、其制備方法及其應用。
技術介紹
1、氣體傳感器是一種能夠檢測目標氣體的種類及濃度，并將其以電信號進行輸出的器件。氣體傳感器可分為半導體氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣體傳感器以及光學氣體傳感器等。
2、金屬氧化物半導體氣體傳感器是氣體傳感器中最受歡迎的一種，由于其獨特的電學性質和較大的比表面積，在nox、nh3、so2和h2s等有毒氣體的化學氣體傳感方面引起了廣泛的關注。氣敏材料在不同的環境中會有不同寬度的電子耗盡區，當氣敏材料處于空氣中時，材料表面的氧氣會與氣敏層發生電子交換，氣敏材料的電子會向材料周圍的氧氣轉移，使得材料周圍的氧氣轉變為氧負離子，吸附在氣敏材料的表面，導致氣敏材料的電子耗盡區發生變化，電阻也隨之變化。當氣敏材料處在一定濃度的響應氣體中時，響應氣體會與吸附在氣敏材料表面的氧負離子發生反應，使得電子被釋放回氣敏層，導致電子耗盡區發生變化，電阻隨之變化。因此，金屬氧化物納米結構在氣體傳感方面具有可操控性強和成本低等諸多優勢，但其在可穿戴應用中存在大量的問題，例如柔性較差，需要提供足夠的熱能來實現最佳響應和較低的熱利用率等使其在可穿戴應用中的發展受限。
3、金屬氧化物半導體氣體傳感器通常是氣敏材料涂敷在陶瓷管和直接生長在微機電系統(mems)等硬性基底上兩種形式的氣體傳感器，其中，對于陶瓷管結構的氣體傳感器而言，普遍是采用陶瓷管內置加熱絲的工藝，以為氣敏層提供所需熱能；該方法的加熱層由于空間較大，空
4、基于mems加工技術制作的硅基氣體傳感器普遍采用的結構是：在單晶硅基底的上表面沉積一層氮化硅膜層作為下絕緣層，在單晶硅基底的下表面制備絕熱槽；制備絕熱槽時可使用背面濕法刻蝕工藝，也可先對下絕緣層蝕刻出懸臂梁，再往下濕法刻蝕出倒金字塔式絕熱槽；兩種絕熱槽可以更好的防止熱量的散失以降低功耗；下絕緣層上方通過剝離工藝(lift-off)加工出鉑加熱絲層，通過給加熱絲通電即可產生熱量，形成氣體傳感器工作所需要的溫度；在鉑加熱絲表面上又沉積一層氮化硅層作為上絕緣層，最后沉積溫度敏感層和氣體敏感層。上述方法蝕刻出絕熱槽后加熱層與氣體敏感層僅靠一層薄膜結構的氮化硅層支撐，而該薄膜僅在兩端被懸臂結構的支撐襯底支撐，這種薄膜結構的絕緣層力學性能較差，在器件受到震動或者碰撞時易發生破裂導致器件失效。此外，由于隔熱層與加熱絲的熱膨脹系數的差異，在高溫下隔熱層易翹曲使加熱絲易從隔熱層脫落，同樣導致器件失效；同時，懸臂結構的絕熱槽利用懸臂之間的空氣隔熱，由于空間較大，空氣流動較快，也會造成熱量散失較快，影響隔熱效果；并且，該種絕熱槽的制備工藝復雜，對控制條件要求較高，從而增加了加工難度。
5、因此，為了拓寬金屬氧化物半導體氣體傳感器應用領域，提供一種具有熱源利用率高、柔性好、體積小的金屬氧化物半導體氣體傳感器具有重要意義。
技術實現思路
1、本專利技術解決的技術問題在于提供一種金屬氧化物纖維氣體傳感器，本申請提供的氣體傳感器具有熱源利用率高、柔性好、體積小的優點。
2、有鑒于此，本申請提供了一種金屬氧化物纖維氣體傳感器，包括：二氧化硅復合纖維、氣體檢測電極、金屬氧化物半導體氣敏層、加熱電極和透氣薄膜；所述二氧化硅復合纖維包括空心二氧化硅纖維和填充在所述空心二氧化硅纖維內部的液態金屬；
3、設置于所述二氧化硅復合纖維兩端的氣體檢測電極；
4、包覆于所述二氧化硅復合纖維表面的金屬氧化物半導體氣敏層；
5、設置于所述二氧化硅復合纖維兩端且與所述液態金屬接觸的加熱電極；
6、包覆于所述金屬氧化物半導體氣敏層表面的透氣薄膜。
7、優選的，所述液態金屬中的金屬包括汞、銫、銣、鎵、銦、錫、鉛、鋅、銅、金和銀中的一種或多種。
8、優選的，所述二氧化硅復合纖維的外徑≥30μm，內徑≥1μm。
9、優選的，所述氣體檢測電極包括銀線、鉑線或金線，所述加熱電極包括銀線、鉑線或金線，所述二氧化硅復合纖維和所述加熱電極通過固化的導電金屬漿料連接。
10、優選的，所述金屬氧化物半導體氣敏層中的金屬氧化物包括zno、sno2、fe2o3、in2o3、wo3、tio2、co3o4、上述金屬氧化物中摻雜有金屬和上述金屬氧化物中修飾有金屬中的一種或多種；所述金屬氧化物半導體氣敏層的厚度≥10nm；所述金屬氧化物半導體氣敏層中金屬氧化物的微觀形貌為納米顆粒、納米棒、納米線、納米帶、納米管、納米梳、納米片、納米化和納米團簇中的一種或多種。
11、本申請還提供了所述的金屬氧化物纖維氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：
12、s1)在空心二氧化硅纖維的內部填充液態金屬，得到二氧化硅復合纖維；
13、s2)在所述二氧化硅復合纖維的兩端形成氣體檢測電極；
14、在所述二氧化硅復合纖維的表面原位形成金屬氧化物半導體氣敏層；
15、將加熱電極插入至所述二氧化硅復合纖維的液態金屬，使所述加熱電極和所述液態金屬接觸；
16、在所述金屬氧化物半導體氣敏層表面形成透氣薄膜。
17、優選的，步驟s1)具體為：
18、將空心玻璃管進行加熱熔融，同時向空心玻璃管的內壁施加氣壓，軟化后冷卻，然后拉制，得到空心二氧化硅纖維；
19、將所述空心二氧化硅纖維固定，向所述空心二氧化硅纖維中填充液態金屬，得到二氧化硅復合纖維。
20、優選的，所述金屬氧化物半導體氣敏層的制備方法包括氣相沉積法、原子層沉積法、模板法、溶劑熱法、固相反應法、溶膠-凝膠法、靜電紡絲和微波輔助法中的一種或多種。
21、本申請還提供了一種柔性襯底傳感器，包括柔性襯底和形成在所述柔性襯底上的若干個氣體傳感器，所述氣體傳感器為所述的金屬氧化物纖維氣體傳感器或所述的制備方法所制備的金屬氧化物纖維氣體傳感器。
22、本申請還提供了一種傳感器系統，包括所述的金屬氧化物纖維氣體傳感器或所述的制備方法所制備的金屬氧化物纖維氣體傳感器。
23、本申請提供了一種金屬氧化物纖維氣體傳感器，其包括二氧化硅復合纖維、氣體檢測電極、金屬氧化物半導體氣敏層、加熱電極和透氣薄膜，其中，二氧化硅復合纖維包括空心二氧化硅纖維和填充在所述空心二氧化硅纖維內部的液態金屬；所述氣體檢測電極設置于所述二氧化硅復合纖維的兩端，所述金屬氧化物半導體氣敏層包覆于二氧化硅復合纖維表面，加熱電極設置于二氧化硅復合纖維兩端且與液態金屬接觸，透氣薄膜包覆于金屬氧化物半導體氣敏層表面；在本申請提供的金屬氧化物纖維氣體傳感器中，以液態金屬纖芯作為熱源，以空心二氧化硅纖維作為絕緣基底，纖芯通電后產生的焦耳熱可通過熱傳導的方式為金屬氧化物半導體氣敏層的氣敏響應過程直接提供熱量，實現了電熱能的極大利用，同時空心二氧化硅纖維具有較好的柔本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種金屬氧化物纖維氣體傳感器，包括：二氧化硅復合纖維、氣體檢測電極、金屬氧化物半導體氣敏層、加熱電極和透氣薄膜；所述二氧化硅復合纖維包括空心二氧化硅纖維和填充在所述空心二氧化硅纖維內部的液態金屬；
2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述液態金屬中的金屬包括汞、銫、銣、鎵、銦、錫、鉛、鋅、銅、金和銀中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述二氧化硅復合纖維的外徑≥30μm，內徑≥1μm。
4.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述氣體檢測電極包括銀線、鉑線或金線，所述加熱電極包括銀線、鉑線或金線，所述二氧化硅復合纖維和所述加熱電極通過固化的導電金屬漿料連接。
5.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述金屬氧化物半導體氣敏層中的金屬氧化物包括ZnO、SnO2、Fe2O3、In2O3、WO3、TiO2、Co3O4、上述金屬氧化物中摻雜有金屬和上述金屬氧化物中修飾有金屬中的一種或多種；所述金屬氧化物半導體氣敏層的厚度≥10nm；所述金屬氧化物半導體氣敏層中金屬氧化物的微觀形貌
6.權利要求1所述的金屬氧化物纖維氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟S1)具體為：
8.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述金屬氧化物半導體氣敏層的制備方法包括氣相沉積法、原子層沉積法、模板法、溶劑熱法、固相反應法、溶膠-凝膠法、靜電紡絲和微波輔助法中的一種或多種。
9.一種柔性襯底傳感器，包括柔性襯底和形成在所述柔性襯底上的若干個氣體傳感器，所述氣體傳感器為權利要求1～5任一項所述的金屬氧化物纖維氣體傳感器或權利要求6～8任一項所述的制備方法所制備的金屬氧化物纖維氣體傳感器。
10.一種傳感器系統，包括權利要求1～5任一項所述的金屬氧化物纖維氣體傳感器或權利要求6～8任一項所述的制備方法所制備的金屬氧化物纖維氣體傳感器。
...【技術特征摘要】
1.一種金屬氧化物纖維氣體傳感器，包括：二氧化硅復合纖維、氣體檢測電極、金屬氧化物半導體氣敏層、加熱電極和透氣薄膜；所述二氧化硅復合纖維包括空心二氧化硅纖維和填充在所述空心二氧化硅纖維內部的液態金屬；
2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述液態金屬中的金屬包括汞、銫、銣、鎵、銦、錫、鉛、鋅、銅、金和銀中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述二氧化硅復合纖維的外徑≥30μm，內徑≥1μm。
4.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述氣體檢測電極包括銀線、鉑線或金線，所述加熱電極包括銀線、鉑線或金線，所述二氧化硅復合纖維和所述加熱電極通過固化的導電金屬漿料連接。
5.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述金屬氧化物半導體氣敏層中的金屬氧化物包括zno、sno2、fe2o3、in2o3、wo3、tio2、co3o4、上述金屬氧化物中摻雜有金屬和上述金屬氧化物中修飾有金屬中的一種或多種；所述金屬氧化物半導體...
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