CN105866175A - 一种可印刷柔性氨气传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可印刷柔性氨气传感器，包括柔性基板、氨气敏感层和叉指状电极，其中：所述的氨气敏感层为导电聚合物和金属纳米线构成的复合薄膜，覆盖于所述柔性基板上；所述的叉指状电极采用导电银墨水材料制备，并涂覆于所述氨气敏感层的上方。本发明利用导电聚合物和金属纳米线的复合体系制备成氨气敏感层，并且所采用的制备方式均为低温溶液法，因而制成的氨气传感器灵敏度高、反应速度快、稳定性好，同时制备工艺简单，无制备面积要求，适合大规模生产，在同一基板上可以同时制备多个器件，大大提高了制备的效率，降低了工业化生产的成本。

Description

一种可印刷柔性氨气传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性传感器，具体涉及一种可印刷柔性氨气传感器及其制备方法，属于电子器件技术领域。

背景技术

氨气是一种无色剧毒气体,对人体有较大的毒性，急性氨中毒会有咳嗽不止、憋气等症状，氨气慢性中毒会引起慢性气管炎、肺气肿等呼吸系统病，氨气在低浓度下就能使人体健康受到很大的危害，因而氨气检测在工业、医药、制冷、农业、大气检测、国防等很多领域具有非常重要的意义。氨气传感器是利用某种物质对氨气具有的强敏感性，微小的氨气量的变化会引起该物质的某些物理或化学性能的很大的变化，如电阻、温度、燃烧点、光学性能等。

为了能够更加有效的检测到低浓度的氨气，并且降低成本，许多研究人员试着找寻了多种不同材料进行结合的新方法，探索制备能够满足更多领域需要的新型氨气传感器。例如，人们尝试着制备基于金属氧化物和导电聚合物材料的氨气传感器，这类传感器具有很高的敏感系数和稳定性，但是氧化物薄膜的制备过程往往需要高温处理，并且有些金属氧化物的退火还需要在真空中进行，因此大大提高了制备难度和成本。中国专利CN 102928473A公开了一种以p型有机半导体聚(3-烷基)噻吩为功能层原料，采用氧化和真空蒸镀的方法结合制备出新型的氨气传感器，但是采用该方法制备氨气传感器时间较长，需要较高的温度，且检测时也需要较高的温度，不适于大规模工业生产。之后，一些研究人员发现碳纳米管和石墨烯结合一些聚合物对氨气同样具有很高的敏感性，例如专利CN 103076370A利用碳纳米管和PABS复合体系材料作为功能层，同时结合喷墨印刷技术制备出了高敏感性的柔性氨气传感器，但是其采用的碳纳米管或石墨烯本身成本较高，并且薄膜的制备过程一般需要较高的温度处理过程，同时其分散性和稳定性也较差，因此进入工业生产后很难保证产品的良品率和寿命，因此需要寻找一些新的氨气传感器制备材料和工艺，以满足工业生产发展的需要。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种可印刷柔性氨气传感器及其制备方法，该传感器敏感性极佳，具有柔性的器件结构，制备采用的材料成本低廉、导电性好，同时其所有的薄膜层均采用低温溶液法制备，能够满足工业生产多方面的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可印刷柔性氨气传感器，包括柔性基板、氨气敏感层和叉指状电极，其中：

所述的氨气敏感层为导电聚合物和金属纳米线构成的复合薄膜，覆盖于所述柔性基板上；

所述的叉指状电极采用导电银墨水材料制备，并涂覆于所述氨气敏感层的上方。

进一步地，所述的导电聚合物与金属纳米线的复合在水或醇类溶剂中进行，该金属纳米线与导电聚合物的重量百分比为50％-200％。

进一步地，所述的氨气敏感层中的导电聚合物和金属纳米线制备成叠层结构，该导电聚合物涂覆于金属纳米线的上表面或下表面。

进一步地，所述的导电银墨水材料为银颗粒状导电墨水或银纳米线导电墨水。

进一步地，所述的导电聚合物为聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐、聚苯胺或聚吡咯；所述金属纳米线为银纳米线、金纳米线或铜纳米线。

进一步地，所述的柔性基板采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

本发明的另一技术方案为：

一种上述可印刷柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)依次分别采用清洗液、丙酮和异丙醇对所述柔性基板进行超声清洗，超声清洗时间为10-20min；

2)在柔性基板表面沉积一层所述氨气敏感层，之后低温退火；

3)在所述氨气敏感层的上表面制备基于导电银墨水的叉指状电极，之后低温退火。

进一步地，所述的步骤2)中，所述氨气敏感层通过刮涂法、旋涂法、喷涂法或浸渍-提拉法进行制备。

进一步地，所述的步骤3)中，所述叉指状电极采用喷墨打印、点胶或丝网印刷的方式制备。

进一步地，所述的步骤3)中，所述的低温退火的温度为50-150℃，退火时间为5-100min。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用导电聚合物和金属纳米线的复合体系制备成氨气敏感层，不但大大降低了成本，同时该复合体系对于氨气具有更高的敏感程度，反应速度更快，因此能够在氨气浓度很低的情况下做出反应；

2.本发明所采用的制备方式均为低温溶液法，因此可以实现大规模印刷制备，无需复杂的工艺，同时结合低温的技术，能够实现在柔性薄膜基板上制备，因此能够满足工业生产不同的需要；

3.本发明所制备的氨气传感器灵敏度高、反应速度快、稳定性好，同时制备工艺简单，无制备面积要求，适合大规模生产，在同一基板上可以同时制备多个器件，大大提高了制备的效率，降低了工业化生产的成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1，图示可印刷柔性氨气传感器包括柔性基板1、氨气敏感层2和叉指状电极3；其中：

所述的柔性基板1采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

所述的氨气敏感层2为导电聚合物和金属纳米线构成的复合薄膜，覆盖于所述柔性基板1上。所述导电聚合物与金属纳米线的复合在水或醇类溶剂中进行，该金属纳米线与导电聚合物的重量百分比为50％-200％；所述的导电聚合物为聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐、聚苯胺或聚吡咯；所述金属纳米线为银纳米线、金纳米线或铜纳米线。

所述的氨气敏感层2中的导电聚合物和金属纳米线也可以制备成叠层结构，该导电聚合物涂覆于金属纳米线的上表面或下表面。

所述的叉指状电极3采用导电银墨水材料制备，并涂覆于所述氨气敏感层2的上方。所述的导电银墨水材料为银颗粒状导电墨水或银纳米线导电墨水。

所述可印刷柔性氨气传感器的制备方法包括如下步骤：

1)依次分别采用清洗液、丙酮和异丙醇对所述柔性基板1进行超声清洗，超声清洗时间为10-20min。

2)在柔性基板1表面沉积一层所述氨气敏感层2，之后低温退火；所述氨气敏感层2通过刮涂法、旋涂法、喷涂法或浸渍-提拉法进行制备。

3)在所述氨气敏感层2的上表面制备基于导电银墨水的叉指状电极3，之后低温退火，退火温度为50-150℃，退火时间为5-100min；所述叉指状电极3采用喷墨打印、点胶或丝网印刷的方式制备。

实施例1

首先预先对聚对苯二甲酸乙二醇酯的透明柔性基板1进行清洗，将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜依次浸入到清洗液、丙酮和异丙醇中，分别每次超声15min。超声之后，将柔性基板1取出，经氮气枪吹干待用。配置聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐和银纳米线的复合溶液，配置过程在水溶液中进行，控制银纳米线与聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的复合重量比为50％。将所制备的复合溶液经刮涂法在透明柔性基板1上沉积一层均匀的薄膜，薄膜的厚度控制在100-120nm，之后在120℃退火处理20min，得到氨气敏感层2。薄膜充分烘干后，在其上采用点胶法制备基于银纳米颗粒的导电墨水电极，叉指状电极3的形貌为叉指状，电极线条之间的间距为100μm，之后将薄膜置于热板上120℃退火处理10min，即可得到所制备的柔性氨气传感器。

实施例2

首先预先对聚酰亚胺的透明柔性基板1进行清洗，将聚酰亚胺基板依次浸入到清洗液、丙酮和异丙醇中，分别每次超声10min。超声之后，将柔性基板1取出，经氮气枪吹干待用。配置聚苯胺和金纳米线的复合溶液，配置过程在乙醇和异丙醇的混合溶液中进行，控制金纳米线与聚苯胺的复合重量比为100％。将所制备的复合溶液经旋涂法在透明柔性基板1上沉积一层均匀的薄膜，薄膜的厚度控制在100-120nm，之后在150℃退火处理10min，得到氨气敏感层2。薄膜充分烘干后，在其上采用丝网印刷法制备基于银纳米线的导电墨水电极，叉指状电极3的形貌为叉指状，电极线条之间的间距为100μm，之后将薄膜置于热板上150℃退火处理5min，即可得到所制备的柔性氨气传感器。

实施例3

首先预先对聚二甲基硅氧烷柔性透明基板1进行清洗，将聚二甲基硅氧烷基板依次浸入到清洗液、丙酮和异丙醇中，分别每次超声10min。超声之后，将基板取出，经氮气枪吹干待用。配置导电聚合物聚吡咯和铜纳米线的复合溶液，配置过程在乙醇和异丙醇的混合溶液中进行，控制铜纳米线与聚吡咯的复合重量比为200％。将所制备的复合溶液经喷涂法在透明柔性基板1上沉积一层均匀的薄膜，薄膜的厚度控制在100-120nm，之后在50℃退火处理100min，得到氨气敏感层2。薄膜充分烘干后，在其上采用喷墨打印法制备基于银纳米颗粒的导电墨水电极，叉指状电极3的形貌为叉指状，电极线条之间的间距为120μm，之后将薄膜置于热板上50℃退火处理80min，即可得到所制备的柔性氨气传感器。

实施例4

首先预先对聚甲基丙烯酸甲酯的透明柔性基板1进行清洗，将聚甲基丙烯酸甲酯基板依次浸入到清洗液、丙酮和异丙醇中，分别每次超声15min。超声之后，将柔性基板1取出，经氮气枪吹干待用。之后分别配置银纳米线和聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的水溶液，控制溶液的浓度为5mg/ml。然后先在聚甲基丙烯酸甲酯柔性基板1上利用浸渍-提拉法制备一层银纳米线薄膜，之后120℃退火处理15min，之后再利用浸渍-提拉法制备一层聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐薄膜，并经120℃退火处理15min，控制薄膜的厚度为200nm，得到氨气敏感层2。薄膜充分烘干后，在其上采用点胶法制备基于银纳米线的导电墨水电极，叉指状电极3的形貌为叉指状，电极线条之间的间距为80μm，之后将薄膜置于热板上150℃退火处理20min，即可得到所制备的柔性氨气传感器。

实施例5

首先预先对聚碳酸酯的柔性基板1进行清洗，将聚碳酸酯基板依次浸入到清洗液、丙酮和异丙醇中，分别每次超声20min。超声之后，将柔性基板1取出，经氮气枪吹干待用。之后分别配置金纳米线和聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的乙醇和异丙醇溶液，控制溶液的浓度为3mg/ml。然后先在聚甲基丙烯酸甲酯柔性基板1上利用旋涂法制备一层金纳米线薄膜，之后120℃退火处理15min，之后再利用喷涂法制备一层聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐薄膜，并经120℃退火处理15min，控制薄膜的厚度为200nm，得到氨气敏感层2。薄膜充分烘干后，在其上采用喷墨打印法制备基于银纳米线的导电墨水电极，叉指状电极3的形貌为叉指状，电极线条之间的间距为100μm，之后将薄膜置于热板上150℃退火处理20min，即可得到所制备的柔性氨气传感器。

实施例6

首先预先对聚对苯二甲酸乙二醇酯的透明柔性基板1进行清洗，将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜依次浸入到清洗液、丙酮和异丙醇中，分别每次超声15min。超声之后，将柔性基板1取出，经氮气枪吹干待用。配置聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐和银纳米线的复合溶液，配置过程在水溶液中进行，控制银纳米线与聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的复合重量比为0.5％。将所制备的复合溶液经刮涂法在透明柔性基板1上沉积一层均匀的薄膜，薄膜的厚度控制在100-120nm，之后在120℃退火处理20min，得到氨气敏感层2。薄膜充分烘干后，在其上采用点胶法制备基于银纳米颗粒的导电墨水电极，叉指状电极3的形貌为叉指状，电极线条之间的间距为100μm，之后将薄膜置于热板上120℃退火处理10min，即可得到所制备的柔性氨气传感器。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同结构或等效材料复合的方式获得的技术方案均落在本发明所要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可印刷柔性氨气传感器，其特征在于，包括柔性基板、氨气敏感层和叉指状电极，其中：

所述的氨气敏感层为导电聚合物和金属纳米线构成的复合薄膜，覆盖于所述柔性基板上；

所述的叉指状电极采用导电银墨水材料制备，并涂覆于所述氨气敏感层的上方。

2.根据权利要求1所述的可印刷柔性氨气传感器，其特征在于，所述的导电聚合物与金属纳米线的复合在水或醇类溶剂中进行，该金属纳米线与导电聚合物的重量百分比为0.5％-200％。

3.根据权利要求1所述的可印刷柔性氨气传感器，其特征在于，所述的氨气敏感层中的导电聚合物和金属纳米线制备成叠层结构，该导电聚合物涂覆于金属纳米线的上表面或下表面。

4.根据权利要求1所述的可印刷柔性氨气传感器，其特征在于，所述的导电银墨水材料为银颗粒状导电墨水或银纳米线导电墨水。

5.根据权利要求1所述的可印刷柔性氨气传感器，其特征在于，所述的导电聚合物为聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐、聚苯胺或聚吡咯；所述金属纳米线为银纳米线、金纳米线或铜纳米线。

6.根据权利要求1所述的可印刷柔性氨气传感器，其特征在于，所述的柔性基板采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

7.一种权利要求1所述可印刷柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)依次分别采用清洗液、丙酮和异丙醇对所述柔性基板进行超声清洗，超声清洗时间为10-20min；

2)在柔性基板表面沉积一层所述氨气敏感层，之后低温退火；

3)在所述氨气敏感层的上表面制备基于导电银墨水的叉指状电极，之后低温退火。

8.根据权利要求7所述的可印刷柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，所述氨气敏感层通过刮涂法、旋涂法、喷涂法或浸渍-提拉法进行制备。

9.根据权利要求7所述的可印刷柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，所述叉指状电极采用喷墨打印、点胶或丝网印刷的方式制备。

10.根据权利要求7所述的可印刷柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，所述的低温退火的温度为50-150℃，退火时间为5-100min。