一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器及其制备方法

本发明属于气体传感器，尤其是涉及一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、三乙胺为有机挥发性气体，在工业合成过程中常用作有机溶剂、催化剂和防腐剂，高浓度的三乙胺会对人体呼吸道产生强烈刺激，长期吸入会引起呼吸道疾病、肺水肿以及眼部病变。此外，在冷链物联网的物流运输领域，三乙胺还是判断鱼类和其他海产品是否变质的重要标志物。三乙胺是一种鱼类及其他海产品腐烂过程中释放出来的有机胺气体，它的释放浓度与海鲜的新鲜度密切相关，通过检测运输过程中三乙胺的浓度即可判断生鲜产品的新鲜程度。因此，开发简单、高效、稳定的三乙胺气体传感器就显得尤为重要。然而生鲜冷链运输过程中复杂的气体种类以及环境中的高湿度都对三乙胺气体传感器的气敏性能和抗湿性能都提出了较高的要求。

2、目前，已开发出多种三乙胺气体传感器，诸如金属氧化物半导体传感器、光学传感器、导电聚合物传感器等。其中，基于金属氧化物半导体的气体传感器具有低成本、体积小和易于集成等优势，是实现三乙胺气体监测的有利选择。cn110333271a公开了一种花状三氧化钨多级纳米材料的制备方法及其三乙胺气体传感器，对三乙胺具有快速响应能力。然而其仍未满足对于冷链物流中抗湿性能的要求，无法有效应用于生鲜冷链运输过程中。

3、因此，亟待开发一款面向冷链物联网应用，适用于生鲜冷链运输的兼顾优异气敏性能和抗湿性能的三乙胺气体传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服现有三乙胺气体传感器无法兼顾气敏性能和抗湿性能的缺陷而提供一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器及其制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器，包括电极基片和气敏部，其中所述电极基片由上至下依次包括金电极、铂引丝、氧化铝基板和加热电极；

4、所述气敏部包括依次附着于电极基片上的wo3膜层和zro2-ceo2复合膜层；

5、所述zro2-ceo2复合膜层的表面由纳米颗粒排列而成。

6、进一步地，所述wo3膜层的厚度为420-480nm。

7、进一步地，所述zro2-ceo2复合膜层表面的纳米颗粒粒径为50-300nm。

8、本发明还提供一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其包括以下步骤：

9、(1)使用wo3靶材在电极基片表面进行磁控溅射，沉积得到wo3膜层；

10、(2)使用zro2靶材和ceo2靶材在wo3膜层表面共同进行磁控溅射，沉积得到zro2-ceo2/wo3复合薄膜；

11、(3)将具有zro2-ceo2/wo3复合薄膜的电极基片进行退火，冷却后将电极基片焊接于六角底座上，即得到具有zro2-ceo2/wo3复合薄膜的三乙胺气体传感器。

12、进一步地，所述wo3靶材、zro2靶材和ceo2靶材的磁控溅射均在保护气体环境下进行。

13、更进一步地，步骤(1)中，所述磁控溅射前需抽真空至6.0×10-4pa后通入高纯氩气，氩气的流量为30-35sccm。

14、进一步地，步骤(1)中，所述磁控溅射的功率为90-110w，优选为100w。

15、进一步地，步骤(1)中，磁控溅射的时间为18-22min，优选为20min。

16、更进一步地，步骤(2)中，所述磁控溅射前需抽真空至6.0×10-4pa后通入高纯氩气，氩气的流量为30-35sccm。

17、进一步地，步骤(2)中，所述磁控溅射的时间均为8-12min，优选为10min。

18、进一步地，步骤(2)中，所述zro2靶材的溅射功率为10-30w。

19、进一步地，步骤(2)中，所述ceo2靶材的溅射功率为40-60w，优选为50w。

20、进一步地，步骤(3)中，所述退火的温度为350-450℃，优选为400℃。

21、进一步地，步骤(3)中，所述退火的时间为3-5h，优选为4h。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、(1)本发明通过磁控溅射在电极基片上制备了zro2-ceo2/wo3复合薄膜，最终制得的三乙胺气体传感器兼顾优异的气敏性能和抗湿性能，还具有选择性好、灵敏度高、稳定好等特点，可用于水产品冷链物流中对三乙胺气体进行监测。

24、(2)本发明利用稀土氧化物ceo2的表面氧化还原自刷新性能，提高了气体传感器的抗湿性能，解决了气体传感器在冷链物流高湿度环境下气敏性能下降严重的实际问题。

25、(3)本发明的复合薄膜中zro2的引入可以有效调控复合薄膜表面的氧空位浓度，通过沉积zro2和ceo2构筑多种异质结构，提升了传感器对三乙胺的气敏性能。

26、(4)本发明zro2-ceo2/wo3复合薄膜表面的纳米颗粒间存在着丰富的空隙，有利于目标气体分子快速扩散到整个气敏薄膜材料中，加快了响应/恢复时间。

27、(5)本发明的三乙胺气体传感器对三乙胺有着优异的气敏性能，对丙酮、二甲苯、乙醇、异丙醇、二氯甲烷等其他气体的气敏性能较弱，对三乙胺具有优异的气敏选择性，大大提高了三乙胺监测的准确性。

28、(6)本发明三乙胺气体传感器的制备方法简便，复现性强，极大简化了气体传感器的制备流程，适用于工业量产，在冷链物流监测方面有巨大的应用前景。

技术特征：

1.一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器，包括电极基片和气敏部，其中所述电极基片由上至下依次包括金电极、铂引丝、氧化铝基板和加热电极，其特征在于，所述气敏部包括依次附着于电极基片上的wo3膜层和zro2-ceo2复合膜层；

2.根据权利要求1所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器，其特征在于，所述wo3膜层的厚度为420-480nm。

3.根据权利要求1所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器，其特征在于，所述zro2-ceo2复合膜层表面的纳米颗粒粒径为50-300nm。

4.一种权利要求1-3任一项所述的面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，所述wo3靶材、zro2靶材和ceo2靶材的磁控溅射均在保护气体环境下进行。

6.根据权利要求4所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述wo3靶材磁控溅射的功率为90-110w，磁控溅射的时间为18-22min。

7.根据权利要求4所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述zro2靶材和ceo2靶材磁控溅射的时间均为8-12min。

8.根据权利要求4所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述zro2靶材的溅射功率为10-30w。

9.根据权利要求4所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述ceo2靶材的溅射功率为40-60w。

10.根据权利要求4所述的一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述退火的温度为350-450℃，退火的时间为3-5h。

技术总结本发明涉及一种面向冷链物联网的抗湿性三乙胺气体传感器及其制备方法，其中三乙胺气体传感器包括电极基片和气敏部；气敏部包括依次附着于电极基片上的WO<subgt;3</subgt;膜层和ZrO<subgt;2</subgt;‑CeO<subgt;2</subgt;复合膜层；ZrO<subgt;2</subgt;‑CeO<subgt;2</subgt;复合膜层的表面由纳米颗粒排列而成。制备方法包括以下步骤：使用WO<subgt;3</subgt;靶材在电极基片表面进行磁控溅射，沉积得到WO<subgt;3</subgt;膜层；使用ZrO<subgt;2</subgt;靶材和CeO<subgt;2</subgt;靶材在WO<subgt;3</subgt;膜层表面共同进行磁控溅射，沉积得到ZrO<subgt;2</subgt;‑CeO<subgt;2</subgt;/WO<subgt;3</subgt;复合薄膜；将具有ZrO<subgt;2</subgt;‑CeO<subgt;2</subgt;/WO<subgt;3</subgt;复合薄膜的电极基片进行退火，冷却后将电极基片焊接于底座上，得到具有ZrO<subgt;2</subgt;‑CeO<subgt;2</subgt;/WO<subgt;3</subgt;复合薄膜的三乙胺气体传感器。与现有技术相比，本发明的三乙胺气体传感器兼顾优异的气敏性能和抗湿性能，还具有选择性好、灵敏度高、稳定好等特点，可用于冷链物流中对三乙胺气体的监测。技术研发人员：孙士斌,高炜翔,常雪婷受保护的技术使用者：上海海事大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1