CN108387617B - 气体传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体传感器及其制造方法，包括：衬底、输出层、传感层以及纳米多孔聚合物膜。输出层配置于衬底上。传感层配置于输出层上。纳米多孔聚合物膜配置于传感层上。本发明提供的气体传感器及其制造方法具有极佳的耐用度与功能表现。

Description

气体传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种气体传感器及其制造方法，尤其涉及一种具有纳米多孔聚合物膜的气体传感器及其制造方法。
背景技术
现有的气体传感器通过在传感层上设置具有微孔道的材料，以使尺寸小于微孔道的气体分子通过微孔道，而与传感层接触。反之，尺寸大于微孔道的气体分子则无法通过微孔道，故其无法接触传感层。
然而，现有具有微孔道的材料为阳极氧化铝。由于阳极氧化铝为金属氧化物材料，其与传感层的贴合度不足，因而易造成气体传感器耐用度不足的问题。
发明内容
本发明提供一种气体传感器及其制造方法，具有极佳的耐用度与功能表现。
本发明提供一种气体传感器，包括：衬底、输出层、传感层以及纳米多孔聚合物膜。输出层配置于衬底上。传感层配置于输出层上。纳米多孔聚合物膜配置于传感层上
在本发明的一实施例中，上述的纳米多孔聚合物膜的孔洞的直径为0.2纳米至20纳米。
在本发明的一实施例中，上述的纳米多孔聚合物膜的厚度为0.05微米至150微米。
在本发明的一实施例中，上述的纳米多孔聚合物膜的材料包括全氟磺酸聚合物、纳米纤维素或其组合。
在本发明的一实施例中，上述的纳米多孔聚合物膜包括离子型结构。
在本发明的一实施例中，上述的输出层包括电极。
在本发明的一实施例中，上述的衬底的表面包括平面、粗糙面、曲面或其组合。
本发明也提供一种气体传感器的制造方法，包括：形成输出层于衬底上；形成传感层于所述输出层上；以及形成纳米多孔聚合物膜于所述传感层上。
在本发明的一实施例中，上述的形成输出层、形成传感层以及形成纳米多孔聚合物膜的步骤所采用的方法包括三维打印。
在本发明的一实施例中，上述的形成纳米多孔聚合物膜的步骤的方法包括进行溶液处理。
基于上述，本发明的纳米多孔聚合物膜中具有微小的孔洞，选择性地让较小的分子通过，并将较大的分子阻挡在外。此外，纳米多孔聚合物膜位于气体传感器的传感层上，可提供传感层较佳的保护。因此，本发明的气体传感器具有极佳的耐用度与功能表现。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的气体传感器的示意图。
图2是本发明一实施例的气体传感器的剖面示意图。
图3是本发明一实施例的气体传感器的制造方法的流程图。
附图标记说明：
100：气体传感器
102：衬底
104：输出层
106：传感层
108：纳米多孔聚合物膜
S100、S102、S104：步骤
具体实施方式
图1是本发明一实施例的气体传感器的示意图。请参照图1，气体传感器100包括：衬底102以及由下而上设置的输出层104、传感层106以及纳米多孔聚合物膜(nanoporouspolymer film)108。气体分子通过纳米多孔聚合物膜108之后，与下方的传感层106作用，改变传感层106的电阻。输出层104接收传感层106的物理特性(例如电阻、电容或阻抗)改变所产生的信号，再依据所检测的信号，可以得知传感层106的电阻变化量，进而得知所检测得的气体分子的种类、组成或含量。
衬底102的表面可以是平面、非平面或其组合。平面可以是平滑表面或是粗糙面。非平面可以是凸曲面、凹曲面、双凹曲面或双凸曲面。在衬底102为具有非平面的表面的实施例中，气体传感器100可被设置在非平面的位置或主体上，因而具有更宽广的应用范围。衬底102可以是可挠材料或刚性材料。衬底102的材料例如是玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate)，PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PolyethyleneNaphthalate；PEN)、聚酰亚胺(Polyimide；PI)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride；PVC)、聚丙烯(Polypropylene；PP)、环状烯烃聚合物(cycloolefin polymer；COP)、聚乙烯(polyethylene；PE)或其组合。
输出层104配置于衬底102上。输出层104能对传感层106的物理特性(例如电阻、电容或阻抗)进行测量。在一些实施例中，输出层104可以是包括电极、开关(例如是薄膜晶体管、双极性晶体管(BJT)、二极管)或其组合。在输出层104可以是电极的实施例中，电极可以接收信号，传送到检测装置。
本发明并不特别限制输出层104的组成构件与构形，只要输出层104能对传感层106的物理特性(例如电阻、电容或阻抗)进行测量，便涵盖于本发明的范畴之中。在一些实施例中，输出层104具有间隙。图2是本发明一实施例的气体传感器的剖面示意图。请参照图2，输出层104具有间隙，可使传感层106被配置于输出层104的间隙之中。通过此，输出层104与传感层106之间可以有更高的接触面积，使输出层104与传感层106之间的信号强度可以被提高，以增加气体传感器的灵敏度。在本实施例中，输出层104例如是指叉式电极。在输出层104为指叉式电极的实施例中，指叉式电极具有主体部以及多个延伸部，其中主体部沿一方向延伸，而延伸部沿另一方向延伸。可在指叉式电极上选择两端点，在两端点之间的距离为已知的情况下，通过测量指叉式电极的两端点之间的物理特性(例如电阻、电容或阻抗)变化来得知传感层106的电阻变化量，进而得知待测气体的种类、组成或含量。在图2中，传感层106填满输出层104的间隙，但本发明不以此为限。在其他实施例中，传感层106也可以只填入输出层104的部分间隙中，而未填满间隙，以降低本发明的气体传感器的制造过程困难度。输出层104包括导体材料。导体材料可以是金属、金属合金。输出层104也可以是IV族元素或其他种类的材料。输出层104的材料例如是碳粉、碳纳米管、石墨烯、还原态氧化石墨烯、金、铂、银、铜或铝。
传感层106配置于输出层104上。传感层106可对不同种类的气体分子进行传感。更具体地说，传感层106可以吸附一种气体或多种气体，而使其电阻值改变。换言之，传感层106相当于可变电阻，通过吸附气体而改变其电阻。
在一些实施例中，传感层106可以传感的气体包括NO2、NH3、H2、CO、H2O、乙醇、SO2、CH4、H2S、O2、NO、C2H2、苯、O3、Cl2、甲醇、丙酮或其组合。
传感层106的传感材料可以是IV族元素或其氧化物，例如是硅或碳。碳可以是纳米碳管或石墨烯。碳的氧化物可以是氧化石墨烯(graphene oxide)。传感层106的传感材料也可以是金属氧化物，例如是氧化锌、二氧化锡、氧化铟、三氧化钨、氧化镁、二氧化钛、三氧化二铁或其组合。在其他实施例中，传感层106的传感材料也可以是金属，例如是金金属团簇(Au cluster)。如表1所示，依据选择的传感材料的不同，传感层106可对不同种类的气体分子进行传感。
表1
Figure BDA0001219939300000041
Figure BDA0001219939300000051
纳米多孔聚合物膜108中的孔洞的大小可以依照需要而调整。换言之，纳米多孔聚合物膜108中的孔洞的大小可以决定能够通过纳米多孔聚合物膜108的待测气体的种类。在一些实施例中，纳米多孔聚合物膜108中具有微小的孔洞，选择性的让较小的分子通过，并将较大的分子阻挡在外。举例而言，水、甲醇、乙醇等较小的分子可以通过孔洞，而体积较大的干扰物质则被排除在外。通过调整纳米多孔聚合物膜108中的孔洞的大小，而决定能够通过纳米多孔聚合物膜108的待测气体的种类。因此，纳米多孔聚合物膜108可提供传感层106较佳的保护与选择性，增加气体传感器100的耐用度与功能表现。纳米多孔聚合物膜108的材料例如是全氟磺酸聚合物(perfluoro sulfonic acid polymer)、纳米纤维素、醋酸纤维素(cellulose acetate)、聚砜(polysulfone)、聚乙烯胺(polyvinylamine)、聚酰胺(polyamide)、聚呋喃(polyfuran)或其组合。
纳米多孔聚合物膜108的孔洞的直径例如是0.2纳米至20纳米。若纳米多孔聚合物膜108的孔洞直径过大，则纳米多孔聚合物膜108的选择性不佳。若纳米多孔聚合物膜108的孔洞直径过小，则待测气体分子无法通过纳米多孔聚合物膜108以被检测。纳米多孔聚合物膜108具有适当大小的孔洞，使气体传感器100具有较佳的功能表现。
在一些实施例中，纳米多孔聚合物膜108的厚度为0.05微米至150微米。若纳米多孔聚合物膜108的厚度过厚，则待测气体分子较难穿透纳米多孔聚合物膜108以被检测。若纳米多孔聚合物膜108的厚度过薄，则纳米多孔聚合物膜108无法提供气体传感器100足够的保护与选择性。纳米多孔聚合物膜108具有适当的厚度，使气体传感器100具有较佳的功能表现。
在一些实施例中，纳米多孔聚合物膜108包括离子型结构。纳米多孔聚合物膜108上可具有离子型的官能基，使纳米多孔聚合物膜108具有离子型结构。具有离子型结构的纳米多孔聚合物膜108带有电荷，可产生静电排斥力，增加纳米多孔聚合物膜108的选择性。在一些示范实施例中，纳米多孔聚合物膜108上具有的离子型的官能基带正电，纳米多孔聚合物膜108为具有正电型的离子型结构。具有正电型的离子型结构的纳米多孔聚合物膜108可对带有正电荷的分子产生排斥力，增加纳米多孔聚合物膜108的选择性。在另一些示范实施例中，纳米多孔聚合物膜108上具有的离子型的官能基带负电，纳米多孔聚合物膜108为具有负电型的离子型结构。具有负电型的离子型结构的纳米多孔聚合物膜108可对带有负电荷的分子产生排斥力，增加纳米多孔聚合物膜108的选择性。在本实施例中，纳米多孔聚合物膜108的材料例如是全氟磺酸聚合物，全氟磺酸聚合物例如是
Figure BDA0001219939300000061
Figure BDA0001219939300000062
具有疏水型的骨架与正离子型的末端，故
Figure BDA0001219939300000063
可形成具有正电型的离子型结构的纳米多孔聚合物膜。但本发明不以此为限，纳米多孔聚合物膜也可通过其他适当的材料形成。在一些实施例中，纳米多孔聚合物膜108中的孔洞由离子型结构形成。但本发明不以此为限，纳米多孔聚合物膜中的孔洞也可通过其他适当的结构形成。
图3是本发明一实施例的气体传感器的制造方法的流程图。请参照图3与图1，在步骤S100中，形成输出层104于衬底102上。在步骤S102中，形成传感层106于输出层104上。在步骤S104中，形成纳米多孔聚合物膜108于传感层106上。
上述的气体传感器100可以以单一种机台来完成。在一些实施例中，形成输出层104、形成传感层106、形成纳米多孔聚合物膜108的步骤包括三维打印。详细来说，形成输出层104的步骤包括将输出层104的材料喷涂在衬底102上。形成传感层106的步骤包括将传感层106的材料喷涂在输出层104上。形成纳米多孔聚合物膜108的步骤包括将纳米多孔聚合物膜108的材料喷涂在传感层106上。通过三维打印的方式形成本发明的气体传感器，可以直接打印出所需要的图案，而不需要通过光刻与蚀刻等处理，省略现有的半导体过程所需的繁琐步骤。此外，更可避免在形成上层的结构时，对已形成的下层结构造成的破坏。再者，通过三维打印的方式形成本发明的气体传感器100，在形成各构件时，仅需更换形成不同构件所需要的墨水。因此，不会造成不同材料之间交叉污染的问题。
与传统的微影处理不同，三维打印对于衬底102表面的构形有较高的自由度，可将材料形成于具有各种构形的表面上。因此，本发明的气体传感器100的衬底102可以是具有平面或非平面的表面。平面可以是平滑表面或是粗糙面。非平面可以是凸曲面、凹曲面、双凹曲面或双凸曲面。具有非平面的表面的衬底102的气体传感器100可被设置在非平面的位置或主体上，因而具有更宽广的应用范围。
在一些实施例中，形成纳米多孔聚合物膜的步骤包括三维打印及烘烤。详细来说，纳米多孔聚合物膜的材料被喷涂在传感层上后，再接着进行烘烤的步骤。烘烤的步骤可使纳米多孔聚合物膜的结构更加稳定，增加气体传感器的耐用度。在本实施例中，纳米多孔聚合物膜的材料例如是纳米纤维素。但本发明不以此为限，纳米多孔聚合物膜也可通过其他适当的材料形成。
在一些实施例中，形成纳米多孔聚合物膜的步骤也可以包括溶液处理。通过溶液处理的方式形成使纳米多孔聚合物膜，可使纳米多孔聚合物膜与位于下方的膜层有更佳的贴合度，以提供气体传感器更佳的保护。在本实施例中，纳米多孔聚合物膜的材料例如是全氟磺酸聚合物(perfluoro sulfonic acid polymer film)，全氟磺酸聚合物例如是
Figure BDA0001219939300000071
但本发明不以此为限，纳米多孔聚合物膜也可通过其他适当的材料形成。
在一些实施例中，形成纳米多孔聚合物膜的步骤也可以包括薄膜工艺。在本实施例中，纳米多孔聚合物膜的材料例如是醋酸纤维素(cellulose acetate)、聚砜(polysulfone)、聚乙烯胺(polyvinylamine)、聚酰胺(polyamide)、聚呋喃(polyfuran)或其组合。
综上所述，本发明的纳米多孔聚合物膜中具有微小的孔洞，选择性地让较小的分子通过，并将较大的分子阻挡在外。此外，纳米多孔聚合物膜位于气体传感器的传感层上，可提供传感层较佳的保护。因此，本发明的气体传感器具有极佳的耐用度与功能表现。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种气体传感器，包括：
衬底；
输出层，配置于所述衬底上；
传感层，配置于所述输出层上；以及
纳米多孔聚合物膜，配置于所述传感层上，其中所述传感层用以传感气体分子，而所述纳米多孔聚合物膜用以选择性地过滤所述气体分子。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述纳米多孔聚合物膜的孔洞的直径为0.2纳米至20纳米。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述纳米多孔聚合物膜的厚度为0.05微米至150微米。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述纳米多孔聚合物膜的材料包括全氟磺酸聚合物、纳米纤维素、醋酸纤维素(cellulose acetate)、聚砜(polysulfone)、聚乙烯胺(polyvinylamine)、聚酰胺(polyamide)、聚呋喃(polyfuran)的任二组合。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述纳米多孔聚合物膜包括离子型结构，且所述纳米多孔聚合物膜上具有离子型的官能基。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述输出层包括电极，且所述传感层的传感材料包括硅、纳米碳管、石墨烯。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述衬底的表面包括平面、粗糙面、曲面或其组合。
8.一种气体传感器的制造方法，包括：
形成输出层于衬底上；
形成传感层于所述输出层上；以及
形成纳米多孔聚合物膜于所述传感层上，其中所述形成输出层、所述形成传感层以及所述形成纳米多孔聚合物膜的步骤所采用的方法包括三维打印。
9.根据权利要求8所述的气体传感器的制造方法，其中所述形成纳米多孔聚合物膜的步骤包括三维打印及烘烤。
10.根据权利要求8所述的气体传感器的制造方法，其中所述形成纳米多孔聚合物膜的步骤的方法包括进行溶液处理。
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