CN104215668A - 基于theed纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法 - Google Patents

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刘伟庭
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Abstract

本发明公开了一种基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法，通过静电纺丝装置喷射聚合物溶液，结合直线高速移动台进给实现密度可控有向的THEED聚合物微纳纤维阵列纺丝；之后，通过磁控溅射手段在微纳纤维阵列上修饰镍铬合金薄膜电阻层，实现基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器制备。本发明制备过程耗时短，耗能少，效率高；在材料方面仅用到少量的聚合物溶液与靶材，材料成本低；通过调节直线高速移动台进给速度，可以自由控制有向微纳纤维阵列密度；通过对溶剂参数和操作参数的调整，可以更为精确的控制有向微纳纤维阵列的直径；通过调节溅射参数，可以实现薄膜电阻层厚度的调节。

Description

基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳传感器领域，尤其涉及一种基于THEED（N,N,N',N'-四羟乙基乙二胺）纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法。
背景技术
温室效应已经成为影响人类社会发展的重大环境问题，我国是二氧化碳排放量最大的国家之一，为应对全球气候变化，国家中长期科技发展纲要指出：“加强全球环境公约履约对策与气候变化科学不确定性及其影响研究，开发全球环境变化监测和温室气体减排技术，提升应对环境变化及履约能力”。并在2009年哥本哈根世界气候大会上向世界郑重承诺：“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%”。
我国现有能源结构以煤为主，降低排放仍然存在困难，如何快速检测环境中二氧化碳的含量，研究二氧化碳的排放规律，进而为二氧化碳的减排提供总体优化策略，已经成为当务之急。通过最近几十年的研究，已经有许多种气体检测技术得以工业化，其中应用最为广泛的方法是金属氧化物检测法和光谱分析法。然而目前的检测技术均存在一定问题，例如半导体金属氧化物和固体电解质传感器的选择性差、精度低，而红外光谱分析技术抗干扰性差、成本高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器，包括PCB板基底，在PCB板基底上设有至少一对等距排布的电极；正对的两个电极之间的PCB板基底镂空，间距为5-10mm；PCB板基底和电极构成传感单元PCB板；每对电极之间连接若干有向且不交叉的二氧化碳敏感微纳纤维；所述二氧化碳敏感微纳纤维由THEED聚合物微纳纤维和附着在THEED聚合物微纳纤维表面的镍铬合金薄膜电阻层构成。
一种上述基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器制备方法，包括以下步骤：
（1）室温下，将THEED颗粒加入三氯甲烷溶剂中，搅拌混合得到质量分数20%-30%的THEED溶液；
（2）将传感单元PCB板安装在直线高速移动台上，并将电极接地；支架置于直线高速移动台正上方，将静电纺丝针头安装于支架上，调节静电纺丝针头的高度与位置使其前端垂直正对传感单元PCB板中心线，静电纺丝针头后端通过溶液输送导管与微量注射泵相连，静电纺丝针头导电部分与高压源连接；通过微量注射泵以6-10ml/h的速度进给THEED溶液，调节高压源到10-12KV，操作直线高速移动台以5-10mm/s速度横向匀速运动，待行程结束即可得到有向密度可控的THEED聚合物微纳纤维阵列；
（3）将传感单元PCB板送入磁控溅射机腔体内，在传感单元PCB板表面覆盖掩模板，通过掩模板遮挡电极与PCB板基底，对THEED聚合物微纳纤维阵列进行溅射得到单面厚度为50-80nm的镍铬合金薄膜电阻层；冷却干燥，最终得到基于THEED聚合物微纳纤维阵列的二氧化碳传感器。
本发明的有益效果是：本发明采用静电纺丝与磁控溅射方法，结合直线高速移动台进给实现有向氢敏微纳纤维阵列的制备；整个制备过程耗时短，耗能少，效率高；在材料方面仅用到少量的聚合物溶液与靶材，材料成本低；通过调节直线高速移动台进给速度，可以自由控制有向微纳纤维阵列密度；通过对溶剂参数和操作参数的调整，可以更为精确的控制有向微纳纤维阵列的直径；通过调节溅射参数，可以实现薄膜电阻层厚度的调节。
附图说明
图1是静电纺丝制备THEED聚合物微纳纤维阵列的装置示意图；
图2是传感单元PCB板结构示意图；
图3是直线进给电极对静电纺丝法原理图；
图4是基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器结构示意图；
图5是二氧化碳敏感微纳纤维阵列的结构示意图；
图中：传感单元PCB板1、直线高速移动台2、支架3、高压源4、静电纺丝针头5、溶液输送导管6、微量注射泵7、电极8、PCB板基底9、THEED聚合物微纳纤维10、二氧化碳敏感微纳纤维11、镍铬合金薄膜电阻层12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，THEED聚合物微纳纤维阵列静电纺丝制备平台由传感单元PCB板1、直线高速移动台2、支架3、高压源4、静电纺丝针头5、溶液输送导管6和微量注射泵7组成。传感单元PCB板1安装在直线高速移动台2上，并将电极8接地；支架3置于直线高速移动台2正上方，将静电纺丝针头5安装于支架3上，调节静电纺丝针头5的高度与位置使其前端垂直正对传感单元PCB板1中心线，静电纺丝针头5后端通过溶液输送导管6与微量注射泵7相连，静电纺丝针头5导电部分与高压源4连接；最后，通过微量注射泵7以6-10ml/h的速度进给THEED溶液，调节高压源4到10-12KV，计算机操作直线高速移动台2以5-10mm/s速度横向匀速运动，待行程结束即可得到有向密度可控的THEED聚合物微纳纤维10阵列。
所述THEED溶液的制备过程如下：室温下，将THEED颗粒加入三氯甲烷溶剂中，搅拌混合得到质量分数20%-30%的THEED溶液。
如图2所示，传感单元PCB板1由PCB板基底9和电极8构成，在PCB板基底9上设有至少一对等距排布的电极8，优选为4对；正对的两个电极8之间的PCB板基底9镂空，间距为5-10mm。
如图3所示，直线进给电极对静电纺丝法原理如下：纺丝时高压源4提供10KV电势，产生电场由静电纺丝针头5指向接地的电极8对表面，THEED溶液在静电纺丝针头5处带上电荷沿电场线向电极8对的某一侧移动；在溶液接触电极8瞬间，由于溶液所带电荷影响，与溶液接触的电极8瞬间带电，电场发生偏转，导致溶液向另一侧移动；同时，直线高速移动台2带动电极8对延垂直电场方向运动；在溶液离开静电纺丝针头5后，溶剂在空中不断挥发导致溶质固化，在电极8对间形成有向的THEED聚合物微纳纤维10阵列。
纺丝结束后将传感单元PCB板1送入磁控溅射机腔体内，在传感单元PCB板1表面覆盖掩模板，掩模板遮挡电极9与PCB板基底9，对THEED聚合物微纳纤维10阵列部分进行溅射得到单面厚度为50-80nm的镍铬合金薄膜电阻层12；冷却干燥，实现基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器的制备。
最终得到的基于THEED聚合物微纳纤维阵列的二氧化碳传感器如图4所示。每对电极8之间连接若干有向且不交叉的二氧化碳敏感微纳纤维11，二氧化碳敏感微纳纤维11由THEED聚合物微纳纤维10和附着在THEED聚合物微纳纤维10表面的镍铬合金薄膜电阻层12构成，其中THEED聚合物微纳纤维10作为主要敏感材料，镍铬合金薄膜电阻层12作为信号转换介质，与二氧化碳接触时，THEED聚合物微纳纤维10的体积发生变化，导致镍铬合金薄膜电阻层12电阻值发生变化，通过对电阻值的测量实现二氧化碳浓度的检测。

Claims (2)

1.一种基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器，其特征在于，包括PCB板基底（9），在PCB板基底（9）上设有至少一对等距排布的电极（8）；正对的两个电极（8）之间的PCB板基底（9）镂空，间距为5-10mm；PCB板基底（9）和电极（8）构成传感单元PCB板（1）；每对电极（8）之间连接若干有向且不交叉的二氧化碳敏感微纳纤维（11）；所述二氧化碳敏感微纳纤维（11）由THEED聚合物微纳纤维（10）和附着在THEED聚合物微纳纤维（10）表面的镍铬合金薄膜电阻层（12）构成。
2.一种权利要求1所述的基于THEED纤维阵列的二氧化碳传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）室温下，将THEED颗粒加入三氯甲烷溶剂中，搅拌混合得到质量分数20%-30%的THEED溶液；
（2）将传感单元PCB板（1）安装在直线高速移动台（2）上，并将电极（8）接地；支架（3）置于直线高速移动台（2）正上方，将静电纺丝针头（5）安装于支架（3）上，调节静电纺丝针头（5）的高度与位置使其前端垂直正对传感单元PCB板（1）中心线，静电纺丝针头（5）后端通过溶液输送导管（6）与微量注射泵（7）相连，静电纺丝针头（5）导电部分与高压源（4）连接；通过微量注射泵（7）以6-10ml/h的速度进给THEED溶液，调节高压源（4）到10-12KV，操作直线高速移动台（2）以5-10mm/s速度横向匀速运动，待行程结束即可得到有向密度可控的THEED聚合物微纳纤维（10）阵列；
（3）将传感单元PCB板（1）送入磁控溅射机腔体内，在传感单元PCB板（1）表面覆盖掩模板，通过掩模板遮挡电极（9）与PCB板基底（9），对THEED聚合物微纳纤维（10）阵列进行溅射得到单面厚度为50-80nm的镍铬合金薄膜电阻层（12）；冷却干燥，最终得到基于THEED聚合物微纳纤维阵列的二氧化碳传感器。
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