CN105319241A

CN105319241A - 柔性气敏传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN105319241A
Application number: CN201410318035.XA
Authority: CN
Inventors: 刘瑞; 谷文; 丁海燕; 张珽
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-02-10

Abstract

本发明公开了一种柔性气敏传感器，包括依次叠层设置的衬底、第一电极、第一介电层、气体敏感材料层、第二介电层以及第二电极；所述衬底为柔性衬底，所述气体敏感材料为碳纳米管材料或其功能化复合材料、石墨烯纳米材料或其功能化复合材料。本发明还公开了如上所述的柔性气敏传感器的制备方法，应用印刷电子工艺在所述柔性衬底上依次制备第一电极、第一介电层、气体敏感材料层、第二介电层以及第二电极。本发明提供的柔性气敏传感器结构简单、制备工艺简便、灵敏度高、成本较低。

Description

柔性气敏传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种柔性传感器及其制备方法。

背景技术

气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测是保护和改善生态居住环境不可或缺的手段，尤其在科学技术迅速发展的现代社会，人们生活便利的同时，更加注重环境保护和可持续发展的问题。因此，如何快速灵敏地监测出各种给环境带来危害的气体(如NO₂、CO和H₂S等)成为一项重要的任务。其中，气敏传感器作为把有毒气体成分检测出来并转化成适当电信号的器件，在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域发挥极其重要的作用。随着气敏传感器的应用越来越广，对其使用范围和性能要求也越来越高，因此新型气敏传感器的研究和开发势在必行。

目前主要的气敏传感器是基于硅、陶瓷等材料的硬质衬底，难以满足目前气敏传感器在食品安全、医疗卫生、柔性电子等领域的应用，因此，开发制备柔性气敏传感器成为传感器领域的趋势之一。其中，中国专利申请(公开号：CN103258954A)公开了一种基于柔性衬底所研制的气敏传感器。该专利申请公开了在柔性衬底聚酰亚胺等高分子材料上用沉积的方法制备下电极，然后进行金属氧化物等敏感材料的制备，后续在上面制备上电极。虽然该专利实现了在柔性衬底上气敏传感器的制备，但是在柔性气敏传感器制备过程中，仍然要经过在衬底上进行光刻等半导体工艺，在制备过程中受到高温或者化学腐蚀液体的影响，对柔性衬底或者器件本身造成损伤。而且，该专利所用材料仍然属于传统气体敏感材料的氧化物，此类材料虽然能达到一定的灵敏度，但是其一般是在高温下才能进行测试和恢复，因此，对柔性衬底使用寿命和测试精度影响较大。

发明内容

针对上述提到的现有技术的不足，本发明提出了一种柔性气敏传感器，利用现代印刷电子技术与纳米敏感材料相结合，在柔性衬底上制备具有良好灵敏度和选择的柔性气敏传感器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种柔性气敏传感器，包括依次叠层设置的衬底、第一电极、第一介电层、气体敏感材料层、第二介电层以及第二电极；所述衬底为柔性衬底，所述气体敏感材料为碳纳米管材料或其功能化复合材料、石墨烯纳米材料或其功能化复合材料。

优选地，所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺或聚醚亚胺。

优选地，所述第一电极和第二电极的材料为Ag或Au。

优选地，所述第一介电层和第二介电层的材料为硝基乙胺离子液体、四氟硼酸盐离子液体、氯铝酸盐离子液体或聚酰亚胺。

本发明的另一方面是提供如上所述的柔性气敏传感器的制备方法，包括步骤：

(a)、提供一柔性衬底并应用印刷电子工艺在所述衬底上制备第一电极；

(b)、应用印刷电子工艺在所述第一电极上制备第一介电层；

(c)、应用印刷电子工艺在所述第一介电层上制备气体敏感材料层；

(d)、应用印刷电子工艺在所述气体敏感材料层上制备第二介电层；

(e)、应用印刷电子工艺在所述第二介电层上制备第二电极，获得所述柔性气敏传感器。

优选地，所述印刷电子工艺为气流喷打印工艺、喷墨打印工艺或凹版印刷工艺。

优选地，该方法好包括步骤：利用酸溶液或去离子水对所述柔性衬底进行清洗并用氮气吹干。

优选地，该方法还包括步骤：利用氧等离子工艺对所述柔性衬底进行处理，以增加所述柔性衬底与位于该柔性衬底上的材料层的结合力。

优选地，该方法还包括制备气体敏感材料纳米墨水的步骤，首先，利用超声、清洗、离心工艺步骤，对纳米敏感原材料进行纯化处理；然后根据所测气体的特异选择性，针对不同的气体，选择不同的纳米粒子与纳米敏感材料进行功能化处理

有益效果：

本发明利用现代印刷电子技术与纳米敏感材料相结合，在柔性衬底上制备具有良好灵敏度和选择的柔性气敏传感器。本发明由于采用了无掩模技术的现代印刷电子技术(如气流喷技术、喷墨技术、凹版技术等)，可以实现电极在常温条件下的制备，从而避免了常规半导体工艺中的高温对衬底和器件的损伤；而且，本发明采用纳米材料及其功能化复合材料作为气体敏感材料，可以在常温下进行气体敏感测试，可以避免传感器氧化物气敏材料需要在高温下测试的缺点；另外，该柔性气敏传感器结构简单、灵敏度高、成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的柔性气敏传感器的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的柔性气敏传感器的制备方法的示例性图示。

具体实施方式

如前所述，为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种柔性气敏传感器，该传感器包括依次叠层设置的衬底、第一电极、第一介电层、气体敏感材料层、第二介电层以及第二电极；所述衬底为柔性衬底，所述气体敏感材料为碳纳米管材料或其其功能化复合材料、石墨烯纳米材料或其功能化复合材料。其中，该气敏传感器是通过应用印刷电子工艺在所述柔性衬底上依次制备第一电极、第一介电层、气体敏感材料层、第二介电层以及第二电极获得的。

如上所述的柔性气敏传感器，采用纳米材料及其功能化复合材料作为气体敏感材料，可以在常温下进行气体敏感测试，可以避免传感器氧化物气敏材料需要在高温下测试的缺点；其制备工艺过程中，采用了无掩模技术的现代印刷电子技术(如气流喷技术、喷墨技术、凹版技术等)，可以实现电极在常温条件下的制备，从而避免了常规半导体工艺中的高温对衬底和器件的损伤。

其中，气体敏感材料层的两侧分别连接有第一介电层和第二介电层，可以较为容易的控制电容传感器电容值的大小，进而可以调节不同的传感器量程和灵敏度。

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供的柔性气敏传感器包括依次叠层设置的柔性衬底1、下电极2、下介电层3、气体敏感材料层6、上介电层5以及上电极4。

其中，柔性衬底1的材料为聚酰亚胺(Polyimide，PI)。在另外的一些实施例中，柔性衬底1的材料也可以选择为聚醚亚胺(Polyetherimide，PEI)。

其中，下电极2和上电极4的材料为Ag。在另外的一些实施例中，下电极2和上电极4的材料也可以选择为或Au。

其中，下介电层3和上介电层5的材料为聚酰亚胺。

其中，气体敏感材料层6的材料为碳纳米管材料。在另外的一些实施例中，气体敏感材料层6的材料也可以选择为碳纳米管的功能化复合材料或者是石墨烯纳米材料或其功能化复合材料。

下面介绍如上所述的柔性气敏传感器的制备方法。如图2所示，该方法包括步骤：

(a)、提供一柔性衬底1并应用印刷电子工艺在所述柔性衬底1上制备下电极2。具体地，首先利用酸溶液或去离子水对所述柔性衬底1进行清洗，去除表面的灰尘，并用氮气吹干；然后利用氧等离子工艺对所述柔性衬底1进行处理，以增加所述柔性衬底1与位于该柔性衬底1上的材料层(例如下电极2)的结合力；最后应用印刷电子设备结合纳米金属墨水，在柔性衬底1上喷印出下电极2。

(b)、应用印刷电子工艺在所述下电极2上制备下介电层3。具体地，应用印刷电子设备结合聚酰亚胺液体介电材料，在下电极2上喷印出下介电层3。

(c)、应用印刷电子工艺在所述下介电层3上制备气体敏感材料层6。首先制备气体敏感材料纳米墨水，包括步骤：(1)利用超声、清洗、离心工艺步骤，对纳米级的气体敏感原材料进行纯化、分散处理；(2)将原材料分散在溶液中，利用氯金酸、氯铂酸等进行功能化；(3)将功能化后的溶液进行离心，除去上层溶液；(4)加入乙醇等有机溶剂控制溶液的粘度和表面张力获得气体敏感材料纳米墨水。然后应用印刷电子设备结合制备得到的气体敏感材料纳米墨水，在下介电层3上喷印出气体敏感材料层6。如前所述，所述气体敏感材料为碳纳米管材料或其其功能化复合材料、石墨烯纳米材料或其功能化复合材料。

(d)、应用印刷电子工艺在所述气体敏感材料层6上制备上介电层5。具体地，应用印刷电子设备结合聚酰亚胺液体介电材料，在气体敏感材料层6上喷印出上介电层5。

(e)、应用印刷电子工艺在所述上介电层5上制备上电极4。具体地，应用印刷电子设备结合纳米金属墨水，在上介电层5上喷印出上电极4，最终获得所述柔性气敏传感器。

其中，前述的印刷电子工艺可以为气流喷打印工艺、喷墨打印工艺或凹版印刷工艺。

在另外的一些实施例中，下介电层3和下介电层5的材料还可以选择为硝基乙胺离子液体、四氟硼酸盐离子液体或氯铝酸盐离子液体。

综上所述，本发明利用现代印刷电子技术与纳米敏感材料相结合，在柔性衬底上制备具有良好灵敏度和选择的柔性气敏传感器。本发明由于采用了无掩模技术的现代印刷电子技术(如气流喷技术、喷墨技术、凹版技术等)，可以实现电极在常温条件下的制备，从而避免了常规半导体工艺中的高温对衬底和器件的损伤；而且，本发明采用纳米材料及其功能化复合材料作为气体敏感材料，可以在常温下进行气体敏感测试，可以避免传感器氧化物气敏材料需要在高温下测试的缺点；另外，该柔性气敏传感器结构简单、灵敏度高、成本较低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种柔性气敏传感器，其特征在于，包括依次叠层设置的衬底、第一电极、第一介电层、气体敏感材料层、第二介电层以及第二电极；所述衬底为柔性衬底，所述气体敏感材料为碳纳米管材料或其功能化复合材料、石墨烯纳米材料或其功能化复合材料。

2.根据权利要求1所述的柔性气敏传感器，其特征在于，所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺或聚醚亚胺。

3.根据权利要求1所述的柔性气敏传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料为Ag或Au。

4.根据权利要求1所述的柔性气敏传感器，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的材料为硝基乙胺离子液体、四氟硼酸盐离子液体、氯铝酸盐离子液体或聚酰亚胺。

5.权利要求1-4所述的柔性气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(b)、应用印刷电子工艺在所述第一电极上制备第一介电层；

6.根据权利要求5所述的柔性气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述印刷电子工艺为气流喷打印工艺、喷墨打印工艺或凹版印刷工艺。

7.根据权利要求5所述的柔性气敏传感器的制备方法，其特征在于，该方法好包括步骤：利用酸溶液或去离子水对所述柔性衬底进行清洗并用氮气吹干。

8.根据权利要求7所述的柔性气敏传感器的制备方法，其特征在于，该方法还包括步骤：利用氧等离子工艺对所述柔性衬底进行处理，以增加所述柔性衬底与位于该柔性衬底上的材料层的结合力。

9.根据权利要求5‐8任一所述的柔性气敏传感器的制备方法，其特征在于，该方法还包括制备气体敏感材料纳米墨水的步骤，首先，利用超声、清洗、离心工艺步骤，对纳米敏感原材料进行纯化处理；然后根据所测气体的特异选择性，针对不同的气体，选择不同的纳米粒子与纳米敏感材料进行功能化处理。