一种用于异戊二烯气体检测的气体传感器的制备方法技术领域
本发明公开了一种气体传感器的制备方法，具体涉及一种基于“蒲公英”状纳米二
氧化钛构建的气体传感器的制备方法，属于新型纳米功能材料与人体健康呼吸气体检测技
术领域。
背景技术
由于物质、精神生活的愈来愈丰富，人们对健康的追求也越来越高，和人体生命安
全日益相关的“气体”必然直接关系到身体健康。据报道，人的呼吸成分直接和血液的变化
有关，人呼出气体中的分子能够揭示身体内部的变化。在我们呼出的气体中，有超过1000个
不同气体的混合物，除了氮、氧和二氧化碳等无机混合物气体外，还包含着其他许多种挥发
性有机化合物(例如异戊二烯、乙烷、戊烷和丙酮等)和非挥发性物质(过氧亚硝酸盐、异前
列烷等)，这些化合物作为一个人体内的各种生理过程的签名—呼吸气体指纹，是潜在的健
康监测、诊断信息的重要来源。异戊二烯(Isoprene)作为肝脏代谢中胆固醇合成的重要挥
发性有机化合物(VOC)，在肝纤维化诊断和治疗中具有重要的临床意义。
呼吸代谢检测(Breathomics)是生物医药技术中一个新领域。捕获、识别和分析挥
发性有机化合物(VOC)气体，对于快速、无创，个性化疾病诊断和健康跟踪提供了一个全新
的诊断方法。从目前现有呼气分析手段来看，传统的检测手段气相色谱质谱联用仪(GC-
MS)、选择离子流管-质谱联用仪(SIFT-MS)、质子转移反应质谱仪(PTR-MS)等，因体积大、分
析时间长、成本高等因素在某些应用场合受到限制。金属氧化物(SnO2、In2O3、TiO2等)半导
体气体传感器因其具有结构简单，价格低廉、响应速度快、使用寿命长以及对可燃性气体和
有机挥发性气体具有较高的灵敏度等优点而得到广泛应用。然而使用金属氧化物半导体气
体传感器来进行人体呼气检测还未广泛应用，对Isoprene气体的气敏性能研究也比较缺
少，而Isoprene气体作为人体代谢中重要的一种VOC，必然将会受到越来越多的关注。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有Isoprene气体气敏性能研究的不足，
提供一种用于Isoprene气体检测的气体传感器的制备方法，该方法可检测不同浓度的
Isoprene气体，重复性好，响应快。本发明先采用水热法制备“蒲公英”状纳米TiO2，然后将
其制备成悬浮液喷涂在微纳芯片敏感电极区域，从而构建了一种对Isoprene气体具有响应
的气体传感器。
本发明是采用如下技术方案予以实现的：
一种用于异戊二烯气体检测的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)按照质量比为1～4：2～6的比例分别将盐酸溶液和钛酸四丁酯混合，然后加入
相当于钛酸四丁酯5～10:1的油酸溶液，常温下搅拌，将所得溶液移入高温反应釜中进行水
热反应，在140～180℃下反应4～12h；随炉冷却之后利用乙醇和去离子水反复进行清洗，在
空气中80℃干燥12h之后，使用500℃退火2h，即可得到纳米TiO2粉末；
2)将步骤1)所得的纳米TiO2粉末与一定比例的有机溶剂混合，超声混合均匀，得
到乳白色的TiO2悬浮液；
3)将步骤2)所得的悬浮液利用喷枪辅助陶瓷掩模版，均匀地喷涂在传感器芯片电
极位置表面，然后将传感器芯片按照阶梯加热方式，升温至200～300℃退火2～4h；
4)使用金丝球焊引线将步骤3)中的传感器芯片焊接至TO管底座，将所得气敏元件
置于密封气室中，对加热电极加上5v电压进行72h的老化，即可制成气敏传感器。
进一步，所述盐酸溶液的浓度为36wt％～38wt％。。
进一步，所述步骤1)中，常温下利用磁力搅拌器搅拌15min。
进一步，所述步骤2)中，纳米TiO2粉末与有机溶剂的质量比为1:5～20。
进一步，所述有机溶剂为丙三醇、乙醇或乙二醇与去离子水按照质量比为1:1的比
例的混合液。
进一步，所述步骤3)中，阶梯加热方式为，先将芯片加热至50℃，保持10min；再将
其以5℃/min的速率加热至150℃，保持30min，最后以同样的升温速率5℃/min加热至200～
300℃，保持2～4h后自然冷却。
本发明与现有技术相比具有的优点及积极效果：本发明首次将“蒲公英”状纳米二
氧化钛应用于有机挥发性气体Isoprene的气敏性能测试，为人体呼吸气体的便携式检测装
置的研究提供一定的基础。通过制备纳米二氧化钛悬浮液作为气敏材料，使用掩模板辅助
喷涂的方式解决MEMS工艺和纳米技术不兼容的问题，制备方法简单可靠。
附图说明
下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例制备的“蒲公英”状纳米TiO2粉末的SEM电镜图(a)和(b)分别
为两种不同放大倍数的SEM图。
图2是本发明实例制备的“蒲公英”状纳米TiO2粉末的XRD图谱。
图3是本发明实例制备气体传感器测试样机的微型加热器示意图。
图4是本发明实例中使用陶瓷掩膜辅助的方式将TiO2悬浮液喷涂在微纳芯片电极
表面敏感区域得示意图。
图5是两种不同温度下对不同浓度Isoprene气体进行测试的结果。
图6是在某确定温度下对不同浓度Isoprene气体进行测试的结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施
方案对本发明作进一步的详细描述，需要指出的是，以下实施方案旨在便于对本发明的理
解，而对其不起任何限定作用。
一种用于异戊二烯气体检测的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)按照质量比为1～4：2～6的比例分别将1～4mL的盐酸溶液(浓度为36wt％～
38wt％)和2～6mL的钛酸四丁酯，混合后加入相当于钛酸四丁酯5～10:1的油酸溶液20～
50mL，常温下利用磁力搅拌器搅拌15min，将所得溶液移入高温反应釜中进行水热反应，在
140～180℃下反应4～12h；随炉冷却之后利用乙醇和去离子水反复进行清洗5遍，在空气中
80℃干燥12h之后使用500℃退火2h，即可得到“蒲公英”状纳米TiO2粉末；
2)将步骤1)所得的TiO2粉末与有机溶剂(质量比为1:1用去离子水稀释过的乙醇、
丙三醇或乙二醇)按照质量比为1:5～20混合，超声混合均匀，得到纳米TiO2的悬浮液；
3)将步骤2)所得的悬浮液利用喷枪辅助陶瓷掩膜版，均匀地喷涂在传感器芯片电
极位置表面，然后将传感器芯片阶梯加热升温至200～300℃退火2～4h；其中，阶梯加热方
式为，先将芯片加热至50℃，保持10min；再将其以5℃/min的升温速率加热至150℃，保持
30min，最后以同样的升温速率5℃/min加热至200～300℃，保持2～4h后自然冷却至室温；
4)使用金丝球焊引线将步骤3)中的传感器芯片焊接至TO管底座，将所得气敏元件
置于密封气室中，对加热电极加上5v电压进行72h的老化，即可制成气敏传感器。
本发明所采用的原理为：气敏材料暴露于空气中时，空气中的氧气分子会吸附在
纳米材料表面并捕获电子形成各种吸附形态的氧，温度不同，吸附氧离子的形态也不一样，
随着温度的升高，氧的吸附状态变化如下：
当通入有机挥发性气体(例如Isoprene)时，Isoprene(C5H8)会在纳米材料表面发
生氧化还原反应，导致材料表面电子数目发生变化，材料的电阻随之发生变化，把气体信号
转化为电信号，从而实现对Isoprene的气敏测试。
该制得的气体传感器可用于有机挥发性物异戊二烯气体的检测。
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
量取2mL质量分数为36wt％的HCl溶液置于50mL的烧杯中，称取4mL钛酸四丁酯逐
滴加入到HCl溶液中，混合均匀，在混合溶液中缓慢加入20mL的油酸溶液，在常温下使用磁
力搅拌器搅拌15min，称为前驱液。将前驱液移入50mL的特氟龙反应釜中进行水热反应，水
热反应的温度和时间分别为160℃和5h，随炉冷却之后用乙醇溶液和去离子水进行反复清
洗5遍，然后置于空气中进行80℃干燥12h，随后在空气中进行500℃退火2h的热处理，即可
得到纳米TiO2白色粉末。
本实施例所生长的白色纳米粉末进行SEM表征，可以发现该粉末为“蒲公英”微球
结构，直径为3.4μm左右，组成微球的纳米棒直径约为45～80nm(如图1(a)、(b)所示)，该“蒲
公英”状结构有一个最大的优点就是材料的比表面积很大，对提高气敏性能有很大的优势。
本实施例所制备的白色纳米粉末进行X射线衍射分析(XRD)，如图2所示，确定是金
红石型TiO2(JCPDS No.21-1127)。
将本实施例制备的“蒲公英”状纳米TiO2粉末作为敏感材料用于制备气敏元件，具
体包括以下步骤：
将丙三醇与去离子水以1:1的比例混合均匀，按照丙三醇溶液与TiO2粉末质量比
为1:5的比例加入TiO2粉末，然后超声分散即可得到纳米TiO2悬浮液，利用喷枪辅助陶瓷掩
模版，均匀的将悬浮液喷涂在传感器芯片电极位置表面，如图3和图4；接下来将传感器芯片
置于热板上进行阶梯加热升温至240℃退火3h，先将芯片加热至50℃，保持10min；再将其以
5℃/min的升温速率加热至150℃，保持30min；最后以同样的升温速率5℃/min加热至240
℃，保温3h后自然冷却；然后使用金丝球焊引线将传感器芯片焊接至TO管底座上，将所得气
敏元件置于密封气室中，对加热电极加上5v电压进行72h的老化，即可制成气敏元件。
使用动态配气的方式对样品进行气敏性能测试，检测样品在不同温度下对不同浓
度Isoprene的气敏响应。如图5所示，两种不同温度下，在同种Isoprene气体浓度中会有不
同的灵敏度，具有一定的选择性。如图6所示，在确定温度100℃条件下，不同浓度的
Isoprene气体分别对应不同的灵敏度，而且基线漂移较小。
实施例2
量取4mL质量分数为37.5wt％的HCl溶液置于100mL的烧杯中，称取6mL钛酸四丁酯
逐滴加入到HCl溶液中，混合均匀，在混合溶液中缓慢加入40mL的油酸溶液，在常温下使用
磁力搅拌器搅拌15min，称为前驱液。将前驱液移入特氟龙反应釜中进行水热反应，水热反
应的温度和时间分别为140℃和12h，随炉冷却之后用乙醇溶液和去离子水进行反复清洗5
遍，然后置于空气中进行80℃干燥12h，随后在空气中进行500℃退火2h的热处理，即可得到
纳米TiO2白色粉末。
将本实施例制备的纳米TiO2粉末作为敏感材料用于制备气敏元件，具体包括以下
步骤：
将乙二醇与去离子水以1:1的比例混合均匀，按照乙二醇溶液与TiO2粉末质量比
为1:10的比例加入TiO2粉末，然后超声分散即可得到纳米TiO2悬浮液，利用喷枪辅助陶瓷掩
模版，均匀的将悬浮液喷涂在传感器芯片电极位置表面；接下来将传感器芯片置于热板上
进行阶梯加热升温至200℃退火4h，先将芯片加热至50℃，保持10min；再将其以5℃/min的
升温速率加热至150℃，保持30min；最后以同样的升温速率5℃/min加热至200℃，保温4h后
自然冷却；然后使用金丝球焊引线将传感器芯片焊接至TO管底座上，将所得气敏元件置于
密封气室中，对加热电极加上5v电压进行72h的老化，即可制成气敏元件。
实施例3
量取3mL质量分数为38wt％的HCl溶液置于100mL的烧杯中，称取5mL钛酸四丁酯逐
滴加入到HCl溶液中，混合均匀，在混合溶液中缓慢加入50mL的油酸溶液，在常温下使用磁
力搅拌器搅拌15min，称为前驱液。将前驱液移入特氟龙反应釜中进行水热反应，水热反应
的温度和时间分别为180℃和4h，随炉冷却之后用乙醇溶液和去离子水进行反复清洗5遍，
然后置于空气中进行80℃干燥12h，随后在空气中进行500℃退火2h的热处理，即可得到纳
米TiO2白色粉末。
将本实施例制备的纳米TiO2粉末作为敏感材料用于制备气敏元件，具体包括以下
步骤：
将乙醇与去离子水以1:1的比例混合均匀，按照乙醇溶液与TiO2粉末质量比为1:
20的比例加入TiO2粉末，然后超声分散即可得到纳米TiO2悬浮液，利用喷枪辅助陶瓷掩模
版，均匀的将悬浮液喷涂在传感器芯片电极位置表面；接下来将传感器芯片置于热板上进
行阶梯加热升温至300℃退火2h，先将芯片加热至50℃，保持10min；再将其以5℃/min的升
温速率加热至150℃，保持30min；最后以同样的升温速率5℃/min加热至300℃，保温2h后自
然冷却；然后使用金丝球焊引线将传感器芯片焊接至TO管底座上，将所得气敏元件置于密
封气室中，对加热电极加上5v电压进行72h的老化，即可制成气敏元件。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技
术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一
些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。