CN102621200A - 一种电导型敏感膜三层结构 - Google Patents

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谢光忠
蒋亚东
杜晓松
太惠玲
周泳
朱涛
廖剑
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Abstract

本发明公开一种电导型敏感膜三层结构，属于传感技术领域，一种电导型敏感膜三层结构，包括基板和设置在基板上的叉指电极传感功能结构，其特征在于，还包括设置在叉指电极传感功能结构上且与叉指电极传感功能结构平行的敏感膜三层结构，所述三层结构包括自上而下次序依次为第一不导电敏感材料层、导电颗粒层和第二不导电敏感材料层。主要用于电导型传感器。

Description

一种电导型敏感膜三层结构
技术领域
本发明涉及电导型传感技术领域，具体涉及一种用于检测的敏感薄膜结构。
背景技术
电导型传感技术目前被广泛应用并具有较好的未来前景。作为气体传感器，敏感膜的电阻会随着被测物质的浓度而变化，因此，理论上，只要检测出电阻变化，即可获得被测物质的浓度信息。电导型敏感膜的检测机理分为以下两种：1、半导体或类似材料的敏感膜吸附、吸收氧化性或还原性的被测物质，其表面被注入了空穴或电子，改变了其自身的电导率，解析的时候被测物质离开敏感膜，之前被注入的空穴或电子随之离开，电导率恢复到初始值；2、敏感材料自身不导电，但敏感膜内掺杂有导电颗粒从而可以导电，当敏感材料吸附、吸收了被测物质，自身体积发生膨胀，使得导电颗粒之间的间距被拉开，敏感膜电导率下降，解析的时候被测物质离开敏感膜，敏感膜体积收缩，电导率上升。本发明主要针对的是第2种机理。
一个理想的传感器的输出信号应具有一个稳定的基线，以第2种机理为例，吸附了被测物质，敏感膜电阻增大，解析之后，敏感膜电阻回到之前的初始值。理论上说，第2种机理不易受敏感材料自身条件的约束，可检测的物质范围更广，比第1种机理的应用范围更广，前景更好。但是目前实用化的不多，其主要原因是敏感膜电阻无法保持一个稳定的基线，解析之后只能恢复到一半的响应值。其原因是，敏感膜的体积在一个吸附解析的周期内经历了膨胀和收缩，导电颗粒的位置在基板表面的法线方向上发生了移动，若导电颗粒比最初时更接近于基板表面，则基线(薄膜电阻)下降；远离基板表面，则基线上升。同时，双层结构膜的响应值偏小。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何改善掺有导电颗粒的不导电敏感薄膜气敏传感器响应基线漂移的问题和传感器响应值偏小的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案：一种电导型敏感膜三层结构，包括基板和设置在基板上的叉指电极传感功能结构，其特征在于：还包括设置在叉指电极传感功能结构上且与叉指电极传感功能结构平行的敏感膜三层结构，所述三层结构包括自上而下次序依次为第一不导电敏感材料层、导电颗粒层和第二不导电敏感材料层。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于，导电颗粒层有以下两种方式中的一种构成：a、由单纯的导电颗粒组成；b、由不导电材料包裹导电颗粒而成。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：不导电敏感材料层对被检测物质具有吸附或者吸收的能力，并且本身不导电。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：所述不导电敏感材料层和导电颗粒层的单层厚度范围均在0-100um之内。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：不导电敏感材料层，材料包括不导电的聚合物或有机小分子材料。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：导电颗粒层包括金属颗粒、金属纳米颗粒、碳黑、碳纳米颗粒、石墨烯、导电聚合物纤维、导电聚合物颗粒或者导电聚合物纳米颗粒。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：所述导电颗粒层中可用于包裹导电颗粒的不导电敏感材料有，不导电的聚合物、有机小分子材料。
所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：所述敏感膜三层结构采用沉积工艺制作，所述沉积工艺制作包括：旋涂、喷雾、真空热蒸发、磁控溅射、PECVD、CVD、自组装、LB、分子外延。本发明有益的效果是，在稳定基线的同时增大三维响应。
附图说明
图1为一种电导型敏感膜三层结构多层结构的示意图，其中：1、不导电敏感材料层，2、导电颗粒层，3、叉指电极传感功能结构，4、基板。
图2为实验采用的复合膜结构膜对不同浓度甲苯的响应曲线图。
图3为本发明采用的三层结构膜对不同浓度甲苯的响应曲线图。
图4为三层结构膜和双层结构膜对不同浓度甲苯的响应曲线对比图。
图5为叉指电极传感功能结构示意图，其中：5、电极，6、基片，7、引线。
具体实施方式
    为了改善如何改善掺有导电颗粒的不导电敏感薄膜气敏传感器响应基线漂移的问题和传感器响应值偏小的问题，我们将敏感膜分为三层，不导电的敏感材料和导电颗粒分别置于不同的层中(三层结构为上下两层不导电的敏感材料，中间一层导电颗粒)，这样导电颗粒只可能在所在层中移动，杜绝了在基板表面的法线方向上移动的现象。实验结果表明，分层的敏感膜具有一个稳定的基线。但是上述的两层和三层结构对相同浓度的被测物质的响应值要小于在不导电的敏感材料内掺杂导电颗粒的复合膜，这是由于吸附被测物质，敏感材料发生膨胀，层状结构只是在层的平面二维方向上拉开导电颗粒的距离，而复合膜在三维方向上拉开导电颗粒的距离。通过实验数据曲线对比，我们发现三层结构膜的响应值要大于双层结构的响应值。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理进行详细说明。
根据需要，如图1：在基板4上制备叉指电极传感功能结构3（叉指电极传感功能结构如图5所示，它是一种常用的叉指电极结构），交替沉积不导电敏感材料层1、导电颗粒层2及不导电敏感材料层1，导电颗粒层2置于不导电敏感材料1之间。
如图2，敏感材料自身不导电，但敏感膜内掺杂有导电颗粒从而可以电导，当敏感材料吸附、吸收了被测物质，自身体积发生膨胀，使得导电颗粒之间的间距被拉开，敏感膜电导率下降，解析的时候被测物质离开敏感膜，敏感膜体积收缩，电导率上升。一个理想的传感器的输出信号应具有一个稳定的基线，如前所述为例，吸附了被测物质，敏感膜电阻增大，解析之后，敏感膜电阻回到之前的初始值。理论上说，如前所述机理不易受敏感材料自身条件的约束，可检测的物质范围更广，比技术背景中提到的第1种机理的应用范围更广，前景更好。但是目前实用化的不多，其主要原因是敏感膜电阻无法保持一个稳定的基线，解析之后只能恢复到一半的响应值。
如图3电导型敏感膜三层结构膜对不同浓度的甲苯的响应曲线图，它能保证敏感膜电阻保持一个稳定的基线，解析之后都能恢复到初始的响应值。
如图4电导型敏感膜三层结构膜和双层结构膜对不同浓度甲苯的响应曲线对比图，相比三层结构膜和双层结构膜对不同浓度甲苯解析之后恢复到初始的响应值特征，相比之下，三层结构膜更能精确的恢复到初始的响应值，设计更合理，更加经济实用。
本发明所提供的传感器的制备方法如下
实施例：
如图1所示，在硅基板上制备40mm宽度和间距的金叉指电极传感功能结构，之后使用气喷雾技术，在基板表面交替沉积PEO敏感膜和多壁碳纳米管膜。待敏感膜内部残余溶剂挥发完之后，即获得三层PEO、碳纳米管电导型传感器。该传感器对甲苯蒸汽的最低检测极限达0.2ppm，并具有较好的基线。 

Claims (7)

1.一种电导型敏感膜三层结构，包括基板和设置在基板上的叉指电极传感功能结构，其特征在于，还包括设置在叉指电极传感功能结构上且与叉指电极传感功能结构平行的敏感膜三层结构，所述三层结构包括自上而下次序依次为第一不导电敏感材料层、导电颗粒层和第二不导电敏感材料层。
2.根据权利要求1所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于，导电颗粒层有以下两种方式中的一种构成：a、由单纯的导电颗粒组成；b、由不导电敏感材料包裹导电颗粒而成。
3.根据权利要求1所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：不导电敏感材料层对被检测物质具有吸附或者吸收的能力，并且本身不导电。
4.根据权利要求1所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：所述不导电敏感材料层和导电颗粒层的单层厚度范围均在0-100um之内。
5.根据权利要求1所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：不导电敏感材料层，材料包括不导电电导的聚合物或有机小分子材料。
6.根据权利要求1所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：导电颗粒层包括金属颗粒、金属纳米颗粒、碳黑、碳纳米颗粒、石墨烯、导电聚合物纤维、导电聚合物颗粒或者导电聚合物纳米颗粒。
7.根据权利要求2所述一种电导型敏感膜三层结构，其特征在于：所述导电颗粒层的不导电敏感材料包括不导电的聚合物、有机小分子材料。
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