CN103512925A - 感应电阻、其制备方法及传感器 - Google Patents

Abstract

一种感应电阻，应用于一氧化碳传感器中以检测一氧化碳的浓度，所述感应电阻包括基片及分别形成于所述基片两个相对侧面的两个感应层，所述基片的材料包括氧化石墨和环氧树脂，所述氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1；基片所述感应层的材料为掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种。上述感应电阻结构较为简单。本发明还提供一种感应电阻的制备方法及使用感应电阻的传感器。

Description

感应电阻、其制备方法及传感器

技术领域

本发明涉及一种感应电阻、其制备方法及使用该感应电阻的传感器。

背景技术

一氧化碳在空气中含量浓度达到0.01%时，人如果长期生活或工作，会发生慢性中毒，含量达0.048%时，1小时就可出现轻微中毒，达到0.4%时，可致人死亡，达4.1%时，呼吸几口就失去知觉，达12.5~75%时，具有爆炸性，所以监测环境中的一氧化碳含量有非常重要的意义。目前常用的一氧化碳敏感材料主要有金属氧化物半导体，如SnO₂，TiO₂，电化学电极催化等，这类传感器结构复杂。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构简单的感应电阻、其制备方法及使用该感应电阻的传感器。

一种感应电阻，应用于一氧化碳传感器中以检测一氧化碳的浓度，所述感应电阻包括基片及分别形成于所述基片两个相对侧面的两个感应层，所述基片的材料包括氧化石墨和环氧树脂，所述氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1；基片所述感应层的材料为掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述氮掺杂石墨烯中氮的质量百分比为2%~12%，所述磷掺杂石墨烯中磷的质量百分比为1%~5%。

在其中一个实施例中，所述感应层的厚度为10μm~20μm。

一种感应电阻的制备方法，包括如下步骤：

将氧化石墨、掺杂材料加入水中，超声分散形成含有氧化石墨烯及掺杂材料的悬浮液，其中，所述掺杂材料选自尿素、硝酸铵、磷酸氢二铵及碳酸铵中的至少一种；

将所述含有氧化石墨烯及掺杂材料的悬浮液在40℃~60℃下烘干，得到负载有所述掺杂材料的氧化石墨烯；

在通入保护性气体的条件下，将所述负载有所述掺杂材料的氧化石墨烯升温至500℃~600℃，并保温10min~100min，冷却后得到掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种；

将所述掺杂石墨烯与溶剂混合成浆料；及

将所述浆料涂敷在基片的两个相对的侧面形成感应层，其中，所述基片的材料包括氧化石墨和环氧树脂，所述氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1。在其中一个实施例中，所述氧化石墨烯与所述掺杂材料的质量比为1∶1~40:1。

在其中一个实施例中，所述感应层的厚度为10μm~20μm。

在其中一个实施例中，所述浆料中所述掺杂石墨烯的浓度为0.1g/mL~0.5g/mL。

在其中一个实施例中，所述溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺及乙醇中的至少一种。

一种传感器，用于检测一氧化碳的浓度，所述传感器包括上述感应电阻及用于测试所述感应电阻的电阻值的电路。

在其中一个实施例中，所述电路为电桥电路。

上述感应电阻通过在基片两个相对的侧面上设置感应层，结构较为简单，基片的材料中含有氧化石墨，感应层的材料选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种，氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯为P型石墨烯，P型石墨烯与基片的氧化石墨的结构类似，仅仅是载流子浓度不同，从而掺杂石墨烯与基片的氧化石墨接触后能形成良好的过渡，由于一氧化碳为电子受体型气体，掺杂石墨烯吸附一氧化碳后会导致电导率的变化，且感应电阻的灵敏度较高；上述感应电阻的制备方法较为简单；上述传感器通过使用上述感应电阻可以提高测试一氧化碳浓度时的灵敏度。

附图说明

图1为一实施方式的感应电阻的结构示意图；

图2一实施方式的感应电阻的制备方法的流程图；

图3为一实施方式中测试感应电阻的电阻值的电桥电路图；

图4为一实施方式中感应电阻与铜板组装后的侧视图；

图5为图4中的感应电阻与铜板组装后的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参阅图1，一实施方式的感应电阻10，应用于一氧化碳传感器中以检测一氧化碳的浓度，感应电阻10包括基片101、第一感应层102及第二感应层103。

本实施方式中，基片101为尺寸为20mm*10mm*3mm。需要说明的是，基片101的尺寸也可以为其他数值。

基片101的材料包括氧化石墨和环氧树脂。氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1。

优选的，将氧化石墨与环氧树脂以质量比为10:1~15:1混合、研磨、压制成基片101。

第一感应层102及第二感应层103分别形成于基片101的两个相对的侧面。本实施方式中，第一感应层102及第二感应层103的厚度为10μm~20μm。

第一感应层102及第二感应层103的材料均为掺杂石墨烯。掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种。氮掺杂石墨烯中氮的质量百分比为2%~12%，磷掺杂石墨烯中磷的质量百分比为1%~5%。需要说明的是，第一感应层102及第二感应层103的材料可以相同也可以不同，比如第一感应层102的材料为氮掺杂石墨烯，第二感应层103的材料为氮掺杂石墨烯与磷掺杂石墨烯的混合物。

上述感应电阻10通过在基片10的两个相对的侧面上设置第一感应层102及第二感应层103，结构简单；基片101的材料中含有氧化石墨，第一感应层102及第二感应层103的材料选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种，氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯为P型石墨烯，P型石墨烯与基片101的氧化石墨的结构类似，仅仅是载流子浓度不同，从而掺杂石墨烯与基片的氧化石墨接触后能形成良好的过滤，由于一氧化碳为电子受体型气体，掺杂石墨烯吸附一氧化碳后会导致电导率的变化，且感应电阻的灵敏度较高。

请参阅图2，上述感应电阻的制备方法，包括如下步骤：

步骤S110、将氧化石墨、掺杂材料加入水中，超声分散形成含有氧化石墨烯及掺杂材料的悬浮液，其中，掺杂材料选自尿素、硝酸铵、磷酸氢二铵及碳酸铵中的至少一种。

优选的，氧化石墨与掺杂材料的质量比为1∶1~40:1。

优选的，氧化石墨与水的固液比为0.5g：1L~2g：1L。

优选的，超声分散的时间为30min~60min。

优选的，将氧化石墨与掺杂材料加入装有去离子水的烧杯中，将烧杯放置于超声清洗仪中对氧化石墨与掺杂材料进行超声分散。

步骤S120、将含有氧化石墨烯及掺杂材料的悬浮液在40℃~60℃下烘干，得到负载有掺杂材料的氧化石墨烯。

优选的，将悬浮液在40℃~60℃下烘干后到负载有掺杂材料的氧化石墨烯在80℃~100℃下真空干燥24h~48h。

步骤S130、在通入保护性气体的氛围下，将负载有掺杂材料的氧化石墨烯升温至500℃~600℃，并保温10min~100min，冷却后得到掺杂石墨烯，掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种。

优选的，保护性气体选自氢气、氮气及氩气中的至少一种。

优选的，保护性气体的流量为50sccm~200sccm。

优选的，将负载有掺杂材料的氧化石墨烯放置于石英舟内后放置于反应炉中加热至500℃~600℃。

优选的，氮掺杂石墨烯中氮的质量百分比为2%~12%，磷掺杂石墨烯中磷的质量百分比为1%~5%。

步骤S140、将掺杂石墨烯与溶剂混合成浆料。

优选的，浆料中掺杂石墨烯的浓度为0.1g/mL~0.5g/mL。

优选的，溶剂选自N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）及乙醇中的至少一种。

优选的，将步骤S130中得到的掺杂石墨烯研磨成粉末后与溶剂混合成浆料。

步骤S150、将浆料涂敷在矩形的基片101的两个相对的侧面形成感应层，其中，基片101的材料包括氧化石墨和环氧树脂，氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1。

请再次参阅图1，具体的，形成于基片101的两个相对的侧面的感应层分别为第一感应层102及第二感应层103。

优选的，基片101为尺寸为20mm*10mm*3mm。

优选的，基片101由氧化石墨与环氧树脂以质量比为10:1~15:1混合、研磨、压制而成。

优选的，感应层的厚度为10μm~20μm。

优选的，将浆料涂敷在矩形的基片101的两个相对的侧面后在80℃~100℃下烘干形成感应层。

优选的，使用薄膜涂敷器将浆料涂敷在矩形的基片101的两个相对的侧面。

上述感应电阻的制备方法较为简单，制备的感应电阻对一氧化碳的敏感度较高。

一实施方式的传感器，包括上述感应电阻及用于测试感应电阻的电阻值的电路。

传感器利用感应电阻中感应层的掺杂石墨烯对一氧化碳浓度的敏感性实现对一氧化碳浓度的检测，从而当传感器处于不同一氧化碳浓度的氛围中时，传感器的感应层的电导率是不同的，传感器可以测出感应电阻的电阻值，从而可以根据预先测定的一氧化碳浓度与感应电阻的电阻值之间的对应关系得出一氧化碳的浓度。

优选的，用于测试感应电阻的电阻值的电路为电桥电路，从而利用电桥电路测试感应电阻的电阻值。

请参阅图3，本实施方式中，电桥电路的电路图如图3所示。电桥电路中，配对电阻R1、R2及R3与感应电阻Rx的初始电阻（即未吸附一氧化碳时的电阻）满足以下关系：R1*Rx=R2*R3。其中，电压表G测试的是CD两点之间的电压差。请参阅图4及图5，本实施方式中，将感应电阻10的两端分别使用两个铜板20夹持固定组成电阻结构接入电桥电路以测试感应电阻的电阻值，其中铜板与感应电阻的感应层接触。

当感应电阻没有吸附一氧化碳时，CD两点之间的电压U_CD为零，指针G不会发生偏移。当感应电阻吸附了一氧化碳后，电阻Rx发生变化，使得CD两点之间的电压发生变化，此时指针G发生偏移。根据预先测定的一氧化碳浓度与电阻Rx之间的对应关系以及电阻Rx与U_CD之间的对应关系，从而可以根据U_CD计算出一氧化碳的浓度。

优选的，根据预先测定的一氧化碳浓度与电阻Rx之间的对应关系以及电阻Rx与U_CD之间的对应关系，可以将电压表G的读数换算为一氧化碳的浓度，从而当电桥电路置于一氧化碳环境中时，根据电压表的指针偏移位置可以直接读出一氧化碳的浓度。

需要说明的是，不限于采用图3所示的电桥电路测定吸附了一氧化碳的感应电阻的电阻值，也可采用其他类型的电桥电路或其他电路方式测定感应电阻的电阻值。

上述传感器通过使用含有掺杂石墨烯的感应电阻可以提高测试一氧化碳浓度时的灵敏度。

以下结合具体实施例来进一步说明。

实施例1

1.将1g的氧化石墨、0.2g硝酸铵同时加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声30分钟，得到含有氧化石墨烯和硝酸铵混合悬浮液；

2.将含有氧化石墨烯和硝酸铵混合悬浮液在40℃下烘干得到负载有硝酸铵的氧化石墨烯滤渣，将得到的滤渣，80℃真空干燥48小时，干燥后转移到石英舟里；

3.将石英舟并置于流量为50sccm的氢气气氛环境的反应炉加热到500℃，保温30分钟，将氧化石墨烯与硝酸铵还原制备出p型石墨烯，反应完成后冷却至室温后关闭氢气，取出p型石墨烯研磨成粉末，备用；

4.将氧化石墨与环氧树脂固化粘结剂按质量比为15：1的比例均匀混合后制备成形状为20mm*10mm*3mm的基片，待用；

5.将p型石墨烯与NMP混合形成浆料，p型石墨烯的浓度为0.1g/mL；

6.在基片两个相对的侧面涂上浆料，形成10μm厚的感应层，制备出由p型石墨烯/氧化石墨/p型石墨烯复合形成的感应电阻；然后按图4及图5，用两块铜板把感应电阻的两端夹住固定，并用电阻计测试其电阻值，Rx约为687Ω；

7.将固定好的薄片按示意图3连接到电路中，选好配对电阻R1、R2、R3均为287Ω，并满足以下关系：R1Rx=R2R3，此时电桥电路平衡，指针G不会发生偏移。组装好后，传感器处于平衡状态。当把传感器置于富一氧化碳环境中，p型石墨烯开始吸附一氧化碳，电阻Rx随着一氧化碳浓度增加而减小，引起电路失去平衡，指针G开始偏移，并且一氧化碳含量越高，偏移越大，直到指针不再偏移，此时读数为一氧化碳稳定浓度值，完成检测。当把传感器置于空气环境时，一氧化碳开始脱附，直到一氧化碳浓度恢复到空气正常值时，指针G回来平衡位置。

根据预先设定的一氧化碳浓度与电阻Rx之间的对应关系以及电阻Rx与U_CD之间的对应关系，调节电路，并建立电压表的读数与氢气的浓度之间的关系，并将电压表的读数转换为氢气浓度并用数字显示。具体在本实施方式中，电压表的读数范围为100～125000ppm。

将此传感器放到容积为1L的透明容器里，密封，然后从通气孔里注入流量为1sccm的一氧化碳，读数没有变化，34秒钟后开始显示500ppm，1分钟后停止通入气体，3秒钟后，数字不再变化，读数显示为986ppm，再往容器通流量为100sccm的一氧化碳，数值开始增大，1分钟后停止通气，3秒钟后，数字不再变化，读数显示为100997ppm。可以看出此传感器反应灵敏。

实施例2

1.将2g的氧化石墨、2g碳酸铵同时加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声60分钟，得到含有氧化石墨烯和碳酸铵混合悬浮液；

2.将含有氧化石墨烯和碳酸铵混合悬浮液在60℃下烘干得到负载有碳酸铵的氧化石墨烯滤渣，将得到的滤渣，100℃真空干燥48小时，干燥后转移到石英舟里；

3.将石英舟并置于流量为150sccm的氮气气氛环境的反应炉加热到600℃，保温80分钟，将氧化石墨烯与碳酸铵还原制备出p型石墨烯，反应完成后冷却至室温后关闭氢气，取出p型石墨烯研磨成粉末，备用；

4.将氧化石墨与环氧树脂固化粘结剂按质量比为10：1的比例均匀混合后制备成形状为20mm*10mm*3mm的基片，待用；

5.将p型石墨烯与DMF混合形成浆料，p型石墨烯的浓度为0.5g/mL；

6.在基片两个相对的侧面涂上p型石墨烯，形成20μm厚的感应层，制备出由p型石墨烯/氧化石墨/p型石墨烯复合形成的感应电阻；然后按图4及图5，用两块铜板把感应电阻的两端夹住固定，并用电阻计测试其电阻值，Rx约为328Ω。

实施例3

1.将0.5g的氧化石墨、0.05g尿素同时加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声40分钟，得到含有氧化石墨烯和尿素混合悬浮液；

2.将含有氧化石墨烯和尿素混合悬浮液在50℃下烘干得到负载有尿素的氧化石墨烯滤渣，将得到的滤渣，90℃真空干燥24小时，干燥后转移到石英舟里；

3.将石英舟并置于流量为100sccm的氩气气氛环境的反应炉加热到580℃，保温50分钟，将氧化石墨烯与尿素还原制备出p型石墨烯，反应完成后冷却至室温后关闭氢气，取出p型石墨烯研磨成粉末，备用；

4.将氧化石墨与环氧树脂固化粘结剂按质量比为12：1的比例均匀混合后制备成形状为20mm*10mm*3mm的基片，待用；

5.将p型石墨烯与乙醇混合形成浆料，p型石墨烯的浓度为0.25g/mL；

6.在基片两个相对的侧面涂上p型石墨烯，形成15μm厚的感应层，制备出由p型石墨烯/氧化石墨/p型石墨烯复合形成的感应电阻；然后按图4及图5，用两块铜板把感应电阻的两端夹住固定，并用电阻计测试其电阻值，Rx约为1328Ω。

实施例4

1.将0.8g的氧化石墨、0.3g磷酸氢二铵同时加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声50分钟，得到含有氧化石墨烯和磷酸氢二铵混合悬浮液；

2.将含有氧化石墨烯和磷酸氢二铵混合悬浮液在50℃下烘干得到负载有磷酸氢二铵的氧化石墨烯滤渣，将得到的滤渣，85℃真空干燥36小时，干燥后转移到石英舟里；

3.将石英舟并置于流量为200sccm的氢气气氛环境的反应炉加热到550℃，保温100分钟，将氧化石墨烯与磷酸氢二铵还原制备出p型石墨烯，反应完成后冷却至室温后关闭氢气，取出p型石墨烯研磨成粉末，备用；

4.将氧化石墨与环氧树脂固化粘结剂按质量比为14：1的比例均匀混合后制备成形状为20mm*10mm*3mm的基片，待用；

5.将p型石墨烯与乙醇混合形成浆料，p型石墨烯的浓度为0.4g/mL；

6.在基片两个相对的侧面涂上p型石墨烯，形成12μm厚的感应层，制备出由p型石墨烯/氧化石墨/p型石墨烯复合形成的感应电阻；然后按图4及图5，用两块铜板把感应电阻的两端夹住固定，并用电阻计测试其电阻值，Rx约为479Ω。

实施例5

1.将1g的氧化石墨、0.4g尿素同时加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声60分钟，得到含有氧化石墨烯和尿素混合悬浮液；

2.将含有氧化石墨烯和尿素混合悬浮液在55℃下烘干得到负载有尿素的氧化石墨烯滤渣，将得到的滤渣，95℃真空干燥40小时，干燥后转移到石英舟里；

3.将石英舟并置于流量为150ccm的氢气气氛环境的反应炉加热到520℃，保温10分钟，将氧化石墨烯与尿素还原制备出p型石墨烯，反应完成后冷却至室温后关闭氢气，取出p型石墨烯研磨成粉末，备用；

4.将氧化石墨与环氧树脂固化粘结剂按质量比为15：1的比例均匀混合后制备成形状为20mm*10mm*3mm的基片，待用；

5.将p型石墨烯与乙醇混合形成浆料，p型石墨烯的浓度为0.3g/mL；

6.在基片两个相对的侧面涂上p型石墨烯，形成18μm厚的感应层，制备出由p型石墨烯/氧化石墨/p型石墨烯复合形成的感应电阻；然后按图4及图5，用两块铜板把感应电阻的两端夹住固定，并用电阻计测试其电阻值，Rx约为584Ω。

实施例6

1.将2g的氧化石墨、0.05g硝酸铵同时加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声30分钟，得到含有氧化石墨烯和硝酸铵混合悬浮液；

2.将含有氧化石墨烯和硝酸铵混合悬浮液在45℃下烘干得到负载有硝酸铵的氧化石墨烯滤渣，将得到的滤渣，85℃真空干燥30小时，干燥后转移到石英舟里；

3.将石英舟并置于流量为200ccm的氢气气氛环境的反应炉加热到600℃，保温60分钟，将氧化石墨烯与硝酸铵还原制备出p型石墨烯，反应完成后冷却至室温后关闭氢气，取出p型石墨烯研磨成粉末，备用；

4.将氧化石墨与环氧树脂固化粘结剂按质量比为10：1的比例均匀混合后制备成形状为20mm*10mm*3mm的基片，待用；

5.将p型石墨烯与乙醇混合形成浆料，p型石墨烯的浓度为0.2g/mL；

6.在基片两个相对的侧面涂上p型石墨烯，形成20μm厚的感应层，制备出由p型石墨烯/氧化石墨/p型石墨烯复合形成的感应电阻；然后按图4及图5，用两块铜板把感应电阻的两端夹住固定，并用电阻计测试其电阻值，Rx约为739Ω。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种感应电阻，应用于一氧化碳传感器中以检测一氧化碳的浓度，其特征在于，所述感应电阻包括基片及分别形成于所述基片两个相对侧面的两个感应层，所述基片的材料包括氧化石墨和环氧树脂，所述氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1；基片所述感应层的材料为掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的感应电阻，其特征在于，所述氮掺杂石墨烯中氮的质量百分比为2%~12%，所述磷掺杂石墨烯中磷的质量百分比为1%~5%。

3.根据权利要求1所述的感应电阻，其特征在于，所述感应层的厚度为10μm~20μm。

4.一种感应电阻的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将氧化石墨、掺杂材料加入水中，超声分散形成含有氧化石墨烯及掺杂材料的悬浮液，其中，所述掺杂材料选自尿素、硝酸铵、磷酸氢二铵及碳酸铵中的至少一种；

将所述含有氧化石墨烯及掺杂材料的悬浮液在40℃~60℃下烘干，得到负载有所述掺杂材料的氧化石墨烯；

在通入保护性气体的条件下，将所述负载有所述掺杂材料的氧化石墨烯升温至500℃~600℃，并保温10min~100min，冷却后得到掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯选自氮掺杂石墨烯及磷掺杂石墨烯中的至少一种；

将所述掺杂石墨烯与溶剂混合成浆料；及

将所述浆料涂敷在基片的两个相对的侧面形成感应层，其中，所述基片的材料包括氧化石墨和环氧树脂，所述氧化石墨与环氧树脂的质量比为10:1~15:1。

5.根据权利要求4所述的感应电阻的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯与所述掺杂材料的质量比为1:1~40:1。

6.根据权利要求4所述的感应电阻的制备方法，其特征在于，所述感应层的厚度为10μm~20μm。

7.根据权利要求4所述的感应电阻的制备方法，其特征在于，所述浆料中所述掺杂石墨烯的浓度为0.1g/mL~0.5g/mL。

8.根据权利要求4所述的感应电阻的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺及乙醇中的至少一种。

9.一种传感器，用于检测一氧化碳的浓度，其特征在于，所述传感器包括如权利要求1-3任一项所述的感应电阻及用于测试所述感应电阻的电阻值的电路。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述电路为电桥电路。

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