CN108205001B - 气体侦测器 - Google Patents

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CN108205001B CN201711288606.XA CN201711288606A CN108205001B CN 108205001 B CN108205001 B CN 108205001B CN 201711288606 A CN201711288606 A CN 201711288606A CN 108205001 B CN108205001 B CN 108205001B
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
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    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles

Abstract

本发明涉及气体侦测器。一种气体侦测器用来与电性检测器搭配使用。所述气体侦测器包含用于电连接所述电性检测器的电极单元及感测单元。所述电极单元包括第一电极层及与所述第一电极层相间隔设置的第二电极层。所述第二电极层包括两个相对的电极表面以及形成有多个贯穿所述电极表面的贯孔。所述感测单元包括连接所述第一电极层及所述第二电极层且用来与待测气体作用的感测层。所述感测层包括至少一种具有官能基团的感测材料，且所述官能基团选自于芴基系基团、含有三苯胺基系及芴基系的基团、亚苯基亚乙烯基系基团或含有二噻吩苯并二噻吩基系及噻吩并噻吩基系的基团。

Description

气体侦测器
技术领域
本发明涉及一种侦测器，特别涉及一种气体侦测器。
背景技术
参阅图1，中国台湾专利公开第201616127号专利申请揭示一种多层垂直式感测器1，包含一个基板10、一层形成在所述基板10上的第一电极层11、一层形成在所述第一电极层11上的绝缘层12、一层形成在所述绝缘层12上的第二电极层13、一层形成在所述第二电极层13上的抗反射光阻涂布层14，及一层形成在该抗反射光阻涂布层14上且用来与至少一种待测气体反应的感测层15。该感测层15由感测材料所构成。该感测材料为接触该待测气体后会产生电性变化的材料，且该感测材料例如聚噻吩类材料、富勒烯类材料、酞菁类环化合物材料、多环芳香烃类材料、四氰基醌二甲烷类材料(tetracyanoquinodimethane-basedmaterial)、二胺类材料，或苯胺类材料。所述聚噻吩类材料例如聚(3-己烷基噻吩)、聚(3-辛烷基噻吩)或聚[5,5'-双(3-十二烷基-2-噻吩基)-2,2'-二噻吩]等。所述富勒烯类材料例如(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯[(6,6)-phenyl-c61-butyric acid methyl ester，简称PCBM]。所述酞菁类环化合物材料例如铜酞菁。所述多环芳香烃类材料例如并五苯(pentacene)。所述四氰基醌二甲烷类材料例如四氰基四氟苯醌二甲烷。所述二胺类材料例如4,4'-双(N-(1-萘基)-N-苯基胺基)联苯。所述苯胺类材料例如1,1-双[4-[N,N-二(对甲苯基)胺基]苯基]环己烷。
虽所述专利申请的多层垂直式感测器1通过所述感测材料可准确地感测待测气体，然而，所述多层垂直式感测器1的灵敏度及使用期限仍有待提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度及长使用期限的气体侦测器。
本发明气体侦测器用来与电性检测器搭配使用。所述气体侦测器包含用于电连接所述电性检测器的电极单元及感测单元。所述电极单元包括第一电极层及与所述第一电极层相间隔设置的第二电极层。所述第二电极层包括两个相对的电极表面以及形成有多个贯穿所述电极表面的贯孔。所述感测单元包括连接所述第一电极层及所述第二电极层且用来与待测气体作用的感测层。所述感测层包括至少一种具有官能基团的感测材料，且所述官能基团选自于芴基系(fluorenyl-based)基团、含有三苯胺基系(triphenylamine-based)及芴基系的基团、亚苯基亚乙烯基系)(phenylene vinylene-based)基团或含有二噻吩苯并二噻吩基系(dithiophenebenzodithiophenyl-based)及噻吩并噻吩基系(thioenothiophenyl-based)的基团。
本发明的有益效果在于：通过所述具有官能基团的感测材料，使得所述气体侦测器具有高灵敏度及长使用期限。
在本发明的气体侦测器中，所述感测单元的感测层位于所述第一电极层及所述第二电极层间。
在本发明的气体侦测器中，还包含位于所述第一电极层及所述第二电极层间的介电层，且所述介电层包括两个相对的介电表面以及形成有多个贯穿所述介电表面并分别与所述贯孔连通的穿孔，所述感测单元的感测层设置在所述第二电极层并延伸进入所述贯孔及所述穿孔而连接所述第一电极层。
在本发明的气体侦测器中，所述感测单元的感测层设置在所述第二电极层并延伸进入且填充并充满所述贯孔及所述穿孔而连接所述第一电极层。
在本发明的气体侦测器中，还包含位于所述第一电极层及所述第二电极层间的介电层，且所述介电层包括两个相对的介电表面以及形成有多个贯穿所述介电表面并分别与所述贯孔连通的穿孔，所述感测单元的感测层填充并充满所述贯孔及所述穿孔而连接所述第一电极层。
在本发明的气体侦测器中，所述感测材料选自于聚(9,9-二辛基芴)、9,9-二辛基芴-N-(4-丁基苯基)二苯胺共聚物、9,9-二辛基芴-苯并噻二唑共聚物、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基}、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己氧基羰基)-3-氟基-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基)}，或上述任意的组合。
附图说明
图1是中国台湾专利公开第201616127号专利申请的多层垂直式感测器1的剖面侧视示意图；
图2是本发明气体侦测器的一个第一实施例的剖面侧视示意图；
图3是本发明气体侦测器的一个第二实施例的剖面侧视示意图；
图4是用来辅助说明图3的不完整立体图；
图5是本发明气体侦测器的一个第七实施例的剖面侧视示意图；及
图6是本发明气体侦测器的一个第八实施例的剖面侧视示意图。
具体实施方式
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件以相同的编号来表示。本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，所述实施例仅为例示说明用，而不应被解释为本发明实施的限制。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
参阅图2，本发明气体侦测器的一个第一实施例用来与一个电性检测器(图未示)电连接。所述电性检测器用来检测当所述气体侦测器与一种待测气体作用时所述气体侦测器产生的电性变化。所述待测气体例如但不限于胺类气体、醛类气体、酮类气体、一氧化氮、乙醇、二氧化氮、二氧化碳、臭氧，或硫化物气体等。所述胺类气体例如但不限于氨气、二甲胺或三甲胺等。所述酮类气体例如但不限于丙酮。所述硫化物气体例如但不限于硫化氢。所述电性变化例如电阻变化或电流变化等。在所述第一实施例中，所述电性变化为电流变化。所述气体侦测器包含一个用于电连接所述电性检测器的电极单元2及一个感测单元3。
所述电极单元2包括一层第一电极层21及与一层与所述第一电极层21相间隔设置的第二电极层22。所述第二电极层22包括两个相对的电极表面221，以及形成有多个贯穿所述电极表面221的贯孔220。所述第一电极层21的材质例如但不限于氧化铟锡、金属、金属化合物，或导电有机材料等。所述金属例如但不限于铝、金、银、钙、镍，或铬等。所述金属化合物例如但不限于氧化锌、氧化钼，或氟化锂等。所述导电有机材料例如但不限于聚二氧乙基噻吩-聚苯乙烯磺酸[PEDOT:PSS]。所述第二电极层22的材质例如但不限于金属、金属化合物，或导电有机材料等。所述金属例如但不限于铝、金、银、钙、镍，或铬等。所述金属化合物例如但不限于氧化锌、氧化钼，或氟化锂等。所述导电有机材料例如但不限于聚二氧乙基噻吩-聚苯乙烯磺酸。在所述第一实施例中，所述第一电极层21的材质为氧化铟锡，且所述第二电极层22的材质为铝金属。在本发明的变化形式中，所述第二电极层22包含多条分散且相互交错连接的纳米导线。
所述感测单元3包括一层用来与所述待测气体作用的感测层31。所述感测层31位于所述第一电极层21及所述第二电极层22间且连接所述第一电极层21及所述第二电极层22。所述感测层31包括至少一种具有官能基团的感测材料，且所述官能基团选自于芴基系基团、含有三苯胺基系及芴基系的基团、亚苯基亚乙烯基系基团，或含有二噻吩苯并二噻吩基系及噻吩并噻吩基系的基团。所述具有官能基团的感测材料例如但不限于聚(9,9-二辛基芴)[poly(9,9-dioctylfluorene)，简称PFO]、9,9-二辛基芴-N-(4-丁基苯基)二苯胺共聚物{poly[9,9-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine]}、9,9-二辛基芴-苯并噻二唑共聚物[poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)]、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基}{poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophene-2-yl)-benzo[1,2-b；4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-4-(2-ethylhexanoyl)-thieno[3,4-b]-thiophene)-2,6-diyl]}，或聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己氧基羰基)-3-氟基-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基)}{poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophene-2-yl)-benzo[1,2-b；4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-4-(2-ethylhexyloxycarbonyl)-3-fluoro-thieno[3,4-b]-thiophene))-2,6-diyl]}等。所述9,9-二辛基芴-苯并噻二唑共聚物例如但不限于9,9-二辛基芴-2,1,3-苯并噻二唑共聚物，或9,9-二辛基芴-1,2,3-苯并噻二唑共聚物等。较佳地，所述具有官能基团的感测材料选自于聚(9,9-二辛基芴)、9,9-二辛基芴-N-(4-丁基苯基)二苯胺共聚物、9,9-二辛基芴-苯并噻二唑共聚物、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基}、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己氧基羰基)-3-氟基-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基)}，或上述任意的组合。所述具有官能基团的感测材料的重量平均分子量范围为5,000至300,000。
参阅图3及图4，本发明气体侦测器的第二实施例至第六实施例类似于所述第一实施例，与所述第一实施例主要不同在于所述气体侦测器还包含一层位于所述电极单元2的第一电极层21及第二电极层22间的介电层4。所述介电层4包括两个相对的介电表面41，以及形成有多个贯穿所述介电表面41并分别与所述贯孔220连通的穿孔40。所述介电层4的材质例如但不限于聚乙烯酚[poly(vinylphenol)，简称PVP]、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，简称PMMA)、光阻剂，或聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol)，简称PVA)等。所述光阻剂例如但不限于科毅科技股份有限公司的SU-8系列光阻剂。所述感测单元3的感测层31设置在所述第二电极层22并延伸进入所述贯孔220及所述穿孔40而连接所述第一电极层21。
在所述第二实施例中，所述感测材料为聚(9,9-二辛基芴)[厂牌：西安宝莱特；型号：PLT101011B，简称PFO]，且重量平均分子量为10,000至100,000。在所述第三实施例中，所述感测材料为9,9-二辛基芴-N-(4-丁基苯基)二苯胺共聚物[厂牌：西安宝莱特；型号：PLT105051G，简称TFB]，且重量平均分子量为10,000至200,000。在所述第四实施例中，所述感测材料为9,9-二辛基芴-2,1,3-苯并噻二唑共聚物[厂牌：American dye source；型号：ADS133YE，简称F8BT]，且重量平均分子量为15,000至200,000。在所述第五实施例中，所述感测材料为聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-交替-4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基}{poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophene-2-yl)-benzo[1,2-b；4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-4-(2-ethylhexanoyl)-thieno[3,4-b]-thiophene)-2,6-diyl]，简称PBDTTT-CT}[厂牌：solarmer；型号：PBDTTT-C-T]，且重量平均分子量为20,000至50,000。在所述第六实施例中，所述感测材料为聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-交替-4-(2-乙基己氧基羰基)-3-氟基-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基)}{poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophene-2-yl)-benzo[1,2-b；4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-4-(2-ethylhexyloxycarbonyl)-3-fluoro-thieno[3,4-b]-thiophene))-2,6-diyl]，简称PBDTTT-EFT}[厂牌：Organtec Materials.Inc；型号：PBDTTT-EFT]，且重量平均分子量为80,000。所述实施例侦测的待测气体为氨气或丙酮。在所述实施例中，所述第一电极层21的长度为1mm至10mm、宽度为1mm至10mm、厚度为250mm至400nm，且材质为氧化铟锡；所述第二电极层22的长度为1mm至10mm、宽度为1mm至10mm、厚度为350mm至1000nm、所述贯孔220的平均尺寸为50mm至200nm，且材质为铝金属；所述介电层4的长度为1mm至10mm、宽度为1mm至10mm，且厚度为200mm至400nm、所述穿孔40的平均尺寸为50mm至200nm，且材质为聚乙烯酚(厂牌：Sigma Aldrich；型号：AL-436224；重量平均分子量为25000)；所述感测层31的长度为1mm至10mm、宽度为1mm至10mm，且厚度为200mm至400nm。
将所述实施例的气体侦测器置于一个充满氮气或空气的环境中，并连接一个电压供应器及一个电流检测器。所述电压供应器的电压依据气体侦测器的感测单元3中所选用的感测材料调整。在本发明中，所述第一实施例至第六实施例的电压依序设定在3±2volt、8±4volt、8±4volt、8±4volt、10±4volt及10±4volt。将氨气或丙酮导入所述环境中并与所述气体侦测器在一个接触时间下接触，并通过所述电流检测器测量在所述接触时间内的电流变化。所述电流变化率(单位：％)为(所述接触时间结束时的电流值-未接触待测气体时的电流值)×100％/未接触待测气体时的电流值。在所述待测气体的浓度相同下，所述电流变化率越大，表示所述气体侦测器的灵敏度越高，或，在所述待测气体的浓度相同下，随着使用天数的增加，不同天数间的电流变化率差异越小，表示所述气体侦测器的使用期限越长。电流变化率变异率(单位：％)为(1-[(第1天的电流变化率-使用天数的电流变化率)/第1天的电流变化率])×100％。在所述待测气体的浓度相同下，所述电流变化率变异率越小，表示所述气体侦测器的使用期限越长。所述实施例的气体侦测器的评价结果参阅表1至表3。
为突显本发明的气体侦测器与中国台湾专利公开第201616127号专利申请的多层垂直式感测器间的效果差异，本发明提供三个比较例，且所述比较例与本发明第二实施例主要的不同点在于所述感测层31的感测材料。第一比较例的感测层31的感测材料为重量平均分子量为50,000至70,000的聚(3-己烷基噻吩)[厂牌：UniRegion Bio-Tech；型号：UR-P3H001]。所述第二比较例的感测层31的感测材料为4,4'-双(N-(1-萘基)-N-苯基胺基)联苯。所述第三比较例的感测层31的感测材料为1,1-双[4-[N,N-二(对甲苯基)胺基]苯基]环己烷。所述比较例的气体侦测器的评价结果参阅表1至表3。
表1
Figure BDA0001498952560000101
表1的实验数据为所述气体侦测器与不同浓度的待测气体接触时的电流变化率。由所述数据可知，在所述待测气体的浓度相同下，本发明气体侦测器的电流变化率高于以往气体侦测器的电流变化率，表示本发明的气体侦测器与所述待测气体间容易作用，从而即使所述待测气体的浓度在100ppb时，本发明的气体侦测器都能够侦测到所述待测气体，因此相较于以往气体侦测器的灵敏度，本发明的气体侦测器确实灵敏度更高。
表2
Figure BDA0001498952560000111
表2的实验数据为在不同使用天数下，所述气体侦测器与不同浓度的待测气体接触时的电流变化率。由所述数据可知，在相同所述待测气体的浓度下，在第1天至第8天的期间，本发明气体侦测器的电流变化率变化不大，反观以往气体侦测器的电流变化率变化大，表示以往气体侦测器易失效而无法长久使用，而本发明的气体侦测器即使在较长的时间下使用也不易失效，所以相较于以往气体侦测器的使用期限，本发明的气体侦测器确实使用期限长。
表3
Figure BDA0001498952560000121
表3的实验数据为不同使用天数间电流变化率的变异率。由所述数据可知，在相同所述待测气体的浓度下，本发明气体侦测器在不同使用天数间的电流变化率变异小，反观以往气体侦测器在不同天数间的电流变化率变异大，表示以往气体侦测器易失效而无法长久使用，而本发明的气体侦测器即使在较长的时间下使用也不易失效，所以相较于以往气体侦测器的使用期限，本发明的气体侦测器确实使用期限长。
参阅图5，本发明气体侦测器的一个第七实施例类似于第二实施例，与所述第二实施例主要不同在于所述感测单元3的感测层31设置在所述电极单元2的第二电极层22并延伸进入且填充并充满所述贯孔220及所述穿孔40而连接所述电极单元2的第一电极层21。
参阅图6，本发明气体侦测器的一个第八实施例类似于所述第一实施例，与所述第一实施例主要不同在于所述气体侦测器还包含一层位于所述第一电极层21及所述第二电极层22间的介电层4，且所述介电层4包括两个相对的介电表面41，以及形成有多个贯穿所述介电表面41并分别与所述贯孔220连通的穿孔40。所述感测单元3的感测层31填充并充满所述贯孔220及所述穿孔40而连接所述电极单元2的第一电极层21及第二电极层22。
综上所述，本发明通过所述具有官能基团的感测材料，使得所述气体侦测器具有高灵敏度及长使用期限，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (6)

1.一种气体侦测器，用来与电性检测器搭配使用，所述气体侦测器包含电极单元及感测单元；所述电极单元用于电连接所述电性检测器，且包括第一电极层及与所述第一电极层相间隔设置的第二电极层；所述第二电极层包括两个相对的电极表面以及形成有多个贯穿所述电极表面的贯孔；其特征在于，所述感测单元包括连接所述第一电极层及所述第二电极层且用来与待测气体作用的感测层，所述感测层包括至少一种具有官能基团的感测材料，且所述官能基团选自于芴基系基团、含有三苯胺基系及芴基系的基团、亚苯基亚乙烯基系基团或含有二噻吩苯并二噻吩基系及噻吩并噻吩基系的基团。
2.根据权利要求1所述的气体侦测器，其特征在于，所述感测单元的感测层位于所述第一电极层及所述第二电极层间。
3.根据权利要求1所述的气体侦测器，其特征在于，还包含位于所述第一电极层及所述第二电极层间的介电层，且所述介电层包括两个相对的介电表面以及形成有多个贯穿所述介电表面并分别与所述贯孔连通的穿孔，所述感测单元的感测层设置在所述第二电极层并延伸进入所述贯孔及所述穿孔而连接所述第一电极层。
4.根据权利要求3所述的气体侦测器，其特征在于，所述感测单元的感测层设置在所述第二电极层并延伸进入且填充并充满所述贯孔及所述穿孔而连接所述第一电极层。
5.根据权利要求1所述的气体侦测器，其特征在于，还包含位于所述第一电极层及所述第二电极层间的介电层，且所述介电层包括两个相对的介电表面以及形成有多个贯穿所述介电表面并分别与所述贯孔连通的穿孔，所述感测单元的感测层填充并充满所述贯孔及所述穿孔而连接所述第一电极层。
6.根据权利要求1所述的气体侦测器，其特征在于，所述感测材料选自于聚(9,9-二辛基芴)、9,9-二辛基芴-N-(4-丁基苯基)二苯胺共聚物、9,9-二辛基芴-苯并噻二唑共聚物、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基}、聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b；4,5-b’]二噻吩-2,6-二基-4-(2-乙基己氧基羰基)-3-氟基-噻吩并[3,4-b]噻吩-2,6-二基)}，或上述任意的组合。
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