CN108469456A - 一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用 - Google Patents

一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN108469456A
CN108469456A CN201810490219.2A CN201810490219A CN108469456A CN 108469456 A CN108469456 A CN 108469456A CN 201810490219 A CN201810490219 A CN 201810490219A CN 108469456 A CN108469456 A CN 108469456A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas sensor
room temperature
alcohol gas
temperature alcohol
situ
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810490219.2A
Other languages
English (en)
Inventor
付成伟
李腊
韩晓松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN201810490219.2A priority Critical patent/CN108469456A/zh
Publication of CN108469456A publication Critical patent/CN108469456A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用,属于柔性电阻型气体传感器技术领域,包括:由基底、位于基底上的平行的电极及涂覆在平行电极中间的敏感材料组成,其中,所述的敏感材料为多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料。所述的原位检测系统包括电源、本发明的常温乙醇气体传感器、信号过滤器、单片机、蓝牙及手机客户端。本发明采用的敏感材料的制备方法简单、环保且成本低,制备过程均在低温下进行;该器件可对气态乙醇浓度进行常温监测,对乙醇的响应灵敏度高,常温响应速度快。所述的气体传感器的原位检测系统可以做成手表手环佩戴在手腕上,信号数据可以在手机客户端上实时显示,对于个人酒驾实时检测提供便利条件。

Description

一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用
技术领域
本发明属于柔性电阻型气体传感器技术领域,具体涉及一种乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用。
背景技术
随着工业化的飞速发展,人类在生产生活中产生了不同类型的气体,其中不乏一些有毒有害的气体。乙醇作为一种重要的有机溶剂,在工业、医药、纸巾、香水及化妆品的合成等方面有广泛的应用。同时,乙醇也是食物和药品的主要成分,一直以来,过度饮酒造成危及生命安全的事故屡见不鲜。因此,开发研制一种便携式乙醇传感器是十分有意义的。基于柔性气体传感器技术可任意移动、弯曲、压缩而保持良好的传感性能,可编制或组装在衣物、辅助设备或者日用品上,这样气体浓度的信息就可以不间断、随时随地地获取,使人们能够在饮酒后通过向可穿戴的乙醇气体传感器哈气,及时了解体内酒精的含量,预防酒驾,减少安全事故的发生,为安全驾驶提供可靠保障。
然而,现有的乙醇气体传感器还有两个缺点:1、现有传感器大多基于硅片、陶瓷灯等刚性基底,这类传感器普遍存在不可弯折、体积庞大等缺点,严重阻碍了气体传感器的可穿戴化进展;2、乙醇气体传感器的材料大多都基于金属氧化物,如二氧化锡等。虽然金属氧化物对乙醇的灵敏度较高,但是需要在高温条件下才能正常工作,这使得传感器还需要一个加热装置辅助其实现监测功能。加热装置既会使传感单元的体积变大,质量变重,而且高温装置不适合作为可穿戴的设备直接与人体接触。
此外,作为一个独立的可穿戴乙醇检测系统,除了需要传感单元,还需要信号采集处理与显示单元。为了实现可穿戴一体化的气体传感与显示功能,信号采集单元的电路板也需要具备体积小、柔性的特点。但是现有的可采集处理及传输传感器两端电流信号变化的电路板质量较重,体积也较大,难以满足可穿戴设备的需求。
为此,需要发明出一种既具有柔性、灵敏度高、响应速度快、稳定性良好等特性,同时又能够实时连续输出未知乙醇气体浓度的可穿戴常温气体传感器及原位检测系统。
发明内容
本发明针对上述问题,提供了一种灵敏度高、响应速度快的柔性常温电阻型乙醇传感器及其在原位检测系统中的应用,用手机客户端对气体浓度进行实时监测。该器件利用一种多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料为传感器的敏感层,通过感知乙醇浓度的变化表现为自身电阻的变化,进而用于酒驾检测。
本发明通过如下技术方案实现:
一种常温乙醇气体传感器,包括:由基底、位于基底上的2个平行的电极及涂覆在2个平行电极中间的敏感材料组成,其中,所述的敏感材料为多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料。
进一步地,所述的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料,通过如下方法制备得到,具体步骤如下:
首先,将多壁碳纳米管与苯胺单体按照1:2的质量比加入到1M/L中高氯酸溶液中,0℃下搅拌30分钟;然后,向上述溶液中以体积比3:1滴加密度为6*10-3kg/L的过硫酸铵溶液,将混合溶液在0℃条件下搅拌24小时,聚合后的聚苯胺纳米棒阵列均匀地生长在碳纳米管上;最后,将得到的多壁碳纳米管@聚苯胺纳米复合材料,分别用去离子水、甲醇和乙醇洗涤,洗涤之后的纳米材料在60℃真空干燥24小时。
进一步地,所述的多壁碳纳米管与苯胺单体的混合液与高氯酸溶液的体积比为1:5。
进一步地,所述的敏感材料的涂覆厚度为200nm-300nm。
进一步地,所述的电极为方形金电极。
进一步地,所述的基底为PET基底。
一种乙醇气体传感器在原位检测系统中的应用,所述的原位检测系统包括电源、本发明的常温乙醇气体传感器、信号过滤器、单片机、蓝牙及手机客户端;电源为传感器供电,采集常温乙醇气体传感器两边的电流信号,然后电流信号经过信号过滤器传输到单片机,信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端。
可将该乙醇气体传感器的原位检测系统器件封装在表带中,佩戴在被测试人的手腕处进行呼气,通过手机软件,能够准确的在手机中获得气体中乙醇的浓度与是否达到安全驾驶的标准,根据手机客户端的乙醇浓度显示值即可判断出驾驶者是否酒驾。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
1、本发明采用的敏感材料的制备方法简单、环保且成本低,整个制备过程均在低温下进行;
2、本发明的气体传感器可以对气态乙醇浓度进行常温监测;
3、本发明的气体传感器对乙醇的响应灵敏度高,常温响应速度快,器件稳定性良好;
4、本发明的气体传感器基底是柔性的,可提高可穿戴设备的舒适性;
5、本发明的气体传感器的原位检测系统可以做成手表手环佩戴在手腕上,并且信号数据可以在手机客户端上实时显示,对于个人酒驾实时检测提供了极大的便利条件。
附图说明
图1为本发明的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的SEM图;
图2为本发明的乙醇气体传感器的结构示意图;
图3为本发明实施例2的的乙醇气体传感器的原位检测系统的信号传输图;
图4为本发明实施例2的的乙醇气体传感器的原位检测系统的电路原理图;
图5为本发明实施例2的乙醇气体传感器对不同浓度乙醇的响应恢复曲线;
图6为本发明的乙醇气体传感器的原位检测系统的手机客户端界面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
一种常温乙醇气体传感器,包括:由基底、位于基底上的2个平行的方形电极及涂覆在2个平行方形电极中间的敏感材料组成,其中,所述的敏感材料为多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料。
所述的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料,通过如下方法制备得到,具体步骤如下:首先,将多壁碳纳米管与苯胺单体按照1:2的质量比加入到1M/L中高氯酸溶液中,0℃下搅拌30分钟;然后,向上述溶液中以体积比3:1滴加密度为6*10-3kg/L的过硫酸铵溶液,将混合溶液在0℃条件下搅拌24小时,聚合后的聚苯胺纳米棒阵列均匀地生长在碳纳米管上;最后,将得到的多壁碳纳米管@聚苯胺纳米复合材料,分别用去离子水、甲醇和乙醇洗涤,洗涤之后的纳米材料在60℃真空干燥24小时。
本发明的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的SEM图如图1所示,当多壁碳纳米管与苯胺单体的质量比为1:2时,所得到的聚苯胺可以均匀的生长在多壁碳纳米管表面,如果多壁碳纳米管与苯胺单体的质量比大于1:2时,苯胺单体的减少会使得最终得到的复合材料表面的聚苯胺纳米线非常稀疏,反之,当质量比小于1:2时,聚苯胺会过量生长在多壁碳纳米管表面,甚至会大面积的团聚在一起,丧失了图1中所表现的形貌。
一种常温乙醇气体传感器的制备方法,具体如下:
首先,将柔性PET衬底在乙醇和去离子水中超声清洗,然后烘干。利用匀胶机旋涂一层光刻胶,转速为800转每分钟,时间为30秒。然后进行光刻,显影,显影结束之后,烘干PET塑料片,镀一层50纳米厚的金膜,最后将镀有金膜的PET放在丙酮中,去掉电极以外的金膜,得到干净完整的平行电极。
在光刻好的平行方形电极之间旋涂上多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料,组装成大小为1*0.5厘米柔性电阻型气体传感器。
实施例2
一种乙醇气体传感器的原位检测系统,包括电源、实施例1所述的常温乙醇气体传感器、信号过滤器、单片机、蓝牙及手机客户端;电源为传感器供电,采集常温乙醇气体传感器两边的电流信号,然后电流信号经过信号过滤器传输到单片机,信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端。
首先,将微型电源通过稳压源输出1伏的电压为传感器供电,然后传感器两边的电流信号经过信号过滤器传输到单片机,信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端中,手机客户端对收到的信号与测试所得的标准曲线作对比,并绘出电流随气体变化的曲线图和对比所得的气体浓度的曲线。
乙醇气体传感器的性能测试:把气体传感器接到电化学工作站(辰华660)两边,然后将器件放置在一个密闭的罩子中,向罩子中注入不同浓度的乙醇气体,使器件的电阻发生变化,如图5所示。根据中国醉酒驾驶标准,如果乙醇浓度低于47ppm,将被视为安全驾驶。当乙醇浓度超过190ppm时,将被列为醉驾。酒后驾车的浓度在47ppm至190ppm之间。从图中可以看出,我们所制备的气体传感器的最高检测和最低检测范围为200ppm和1ppm,充分满足了酒驾检测的要求。
可将该乙醇气体传感器的原位检测系统器件封装在表带中,佩戴在被测试人的手腕处进行呼气,通过手机软件,能够准确的在手机中获得气体中乙醇的浓度与是否达到安全驾驶的标准,如图6所示,根据手机客户端的乙醇浓度显示值即可判断出驾驶者是否酒驾。
实施例3不同实验参数对于本发明乙醇气体传感器的性能影响
(1)、将多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的反应时间缩小为8h与12h;
(2)、碳纳米管与苯胺单体的质量比降低到原来的一半;
其它实验参数与器件的制作方法均与实施例1相同,测试传感器的气敏性能以及对于未知气体浓度的检测能力与实施例1的不同。
实验结果表明,多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的反应时间缩短,聚苯胺纳米棒的长度越短。碳纳米管的质量降低时,碳纳米管表面生长的聚苯胺会比较少,这均会导致器件的导电性降低,其灵敏度减小,从而降低对于气体浓度的检测能力,进而阻碍对于未知气体浓度的检测。因此,最优的反应时间为24小时,碳纳米管与苯胺单体的最优质量比为1:2。

Claims (9)

1.一种常温乙醇气体传感器,其特征在于,包括:由基底、位于基底上的2个平行的电极及涂覆在2个平行电极中间的敏感材料组成,其中,所述的敏感材料为多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料。
2.如权利要求1所述的一种常温乙醇气体传感器,其特征在于,所述的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料,通过如下方法制备得到,具体步骤如下:
首先,将多壁碳纳米管与苯胺单体按照1:2的质量比加入到1M/L中高氯酸溶液中,0℃下搅拌30分钟;然后,向上述溶液中以体积比3:1滴加密度为6*10-3kg/L的过硫酸铵溶液,将混合溶液在0℃条件下搅拌24小时,聚合后的聚苯胺纳米棒阵列均匀地生长在碳纳米管上;最后,将得到的多壁碳纳米管@聚苯胺纳米复合材料,分别用去离子水、甲醇和乙醇洗涤,洗涤之后的纳米材料在60℃真空干燥24小时。
3.如权利要求2所述的一种常温乙醇气体传感器,其特征在于,所述的多壁碳纳米管与苯胺单体的混合液与高氯酸溶液的体积比为1:5。
4.如权利要求1所述的一种常温乙醇气体传感器,其特征在于,所述的敏感材料的涂覆厚度为200nm-300nm。
5.如权利要求1所述的一种常温乙醇气体传感器,其特征在于,所述的电极为方形金电极。
6.如权利要求1所述的一种常温乙醇气体传感器,其特征在于,所述的基底为PET基底。
7.如权利要求1所述的一种常温乙醇气体传感器在原位检测系统中的应用。
8.如权利要求7所述的一种常温乙醇气体传感器在原位检测系统中的应用,其特征在于,所述的原位检测系统包括电源、常温乙醇气体传感器、信号过滤器、单片机、蓝牙及手机客户端;所述电源为传感器供电,采集常温乙醇气体传感器两边的电流信号,然后电流信号经过信号过滤器传输到单片机,信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端。
9.如权利要求7所述的一种常温乙醇气体传感器在原位检测系统中的应用,其特征在于,所述的原位检测系统可封装在表带中,佩戴在被测试人的手腕处进行呼气测试。
CN201810490219.2A 2018-05-21 2018-05-21 一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用 Pending CN108469456A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810490219.2A CN108469456A (zh) 2018-05-21 2018-05-21 一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810490219.2A CN108469456A (zh) 2018-05-21 2018-05-21 一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108469456A true CN108469456A (zh) 2018-08-31

Family

ID=63261274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810490219.2A Pending CN108469456A (zh) 2018-05-21 2018-05-21 一种常温乙醇气体传感器及其在原位检测系统中的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108469456A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112763548A (zh) * 2020-12-16 2021-05-07 北京无线电计量测试研究所 一种基于聚合物复合薄膜的一氧化碳检测方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140021067A1 (en) * 2011-09-16 2014-01-23 The Research Foundation For The State University Of New York Low concentration ammonia nanosensor
CN103575771A (zh) * 2013-11-20 2014-02-12 江苏大学 一种气体传感器及其制作方法
CN104849324A (zh) * 2015-05-25 2015-08-19 吉林大学 一种基于石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及制作方法
CN106053556A (zh) * 2016-05-13 2016-10-26 吉林大学 一种基于ZnO/SnO2异质结构复合材料的乙醇气体传感器及其制备方法
US20170184537A1 (en) * 2015-12-29 2017-06-29 The Florida International University Board Of Trustees Sensor for monitoring of ethanol
WO2018043911A1 (ko) * 2016-08-30 2018-03-08 최규동 착용형 연속 체액 체크 시스템을 이용한 조종사 생체 신호 감지 시스템
CN208270473U (zh) * 2018-05-21 2018-12-21 吉林大学 一种常温乙醇气体传感器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140021067A1 (en) * 2011-09-16 2014-01-23 The Research Foundation For The State University Of New York Low concentration ammonia nanosensor
CN103575771A (zh) * 2013-11-20 2014-02-12 江苏大学 一种气体传感器及其制作方法
CN104849324A (zh) * 2015-05-25 2015-08-19 吉林大学 一种基于石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及制作方法
US20170184537A1 (en) * 2015-12-29 2017-06-29 The Florida International University Board Of Trustees Sensor for monitoring of ethanol
CN106053556A (zh) * 2016-05-13 2016-10-26 吉林大学 一种基于ZnO/SnO2异质结构复合材料的乙醇气体传感器及其制备方法
WO2018043911A1 (ko) * 2016-08-30 2018-03-08 최규동 착용형 연속 체액 체크 시스템을 이용한 조종사 생체 신호 감지 시스템
CN208270473U (zh) * 2018-05-21 2018-12-21 吉林大学 一种常温乙醇气体传感器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LA LI 等: "Flexible planar concentric circular micro-supercapacitor arrays for wearable gas sensing application", NANO ENERGY, vol. 41, pages 261 - 268 *
LA LI 等: "Highly Stretchable Micro-Supercapacitor Arrays with Hybrid MWCNT/PANI Electrodes", ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES, vol. 2, no. 3, pages 1600282 *
万步勇;: "多壁碳纳米管膜酒敏特性的研究", 重庆师范大学学报(自然科学版), vol. 23, no. 4, pages 50 - 53 *
肖元化;唐新村;王志敏;李峰;谌谷春;李连兴;张亮;: "分级结构聚苯胺/多壁碳纳米管纳米复合物的制备、表征及其气敏性能研究", 无机材料学报, vol. 25, no. 10, pages 1092 - 1098 *
陕皓;张晓波;刘丽;李守春;王连元;翟微微;: "掺多壁碳纳米管的ZnO对乙醇的气敏性能", 功能材料, vol. 43, no. 24, pages 3460 - 3462 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112763548A (zh) * 2020-12-16 2021-05-07 北京无线电计量测试研究所 一种基于聚合物复合薄膜的一氧化碳检测方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cui et al. Self-powered ammonia nanosensor based on the integration of the gas sensor and triboelectric nanogenerator
Fu et al. A self-powered breath analyzer based on PANI/PVDF piezo-gas-sensing arrays for potential diagnostics application
Rui et al. Dual-function metal–organic framework-based wearable fibers for gas probing and energy storage
Dai et al. Sensors and sensor arrays based on conjugated polymers and carbon nanotubes
CN104345082B (zh) 生物传感器、生物传感器的制作方法及其检测方法
Tang et al. A fast and room-temperature operation ammonia sensor based on compound of graphene with polypyrrole
Chang et al. Polyaniline-reduced graphene oxide nanosheets for room temperature NH3 detection
Wang et al. A portable ascorbic acid in sweat analysis system based on highly crystalline conductive nickel-based metal-organic framework (Ni-MOF)
CN107462620B (zh) 基于石墨烯/ZnO/泡沫镍纳米复合材料的葡萄糖传感器电极
Aroutiounian Properties of hydrogen peroxide sensors made from nanocrystalline materials
Wang et al. A wearable respiration sensor for real-time monitoring of chronic kidney disease
CN110108759A (zh) 一种基于聚苯胺/半导体金属氧化物纳米复合薄膜的呼吸氨气传感器及其制备方法
US20210341406A1 (en) Sensors Comprising Electrically-conductive Protein Nanowires
CN110082413A (zh) 一种基于复合膜修饰电极的l-酪氨酸检测方法及传感器
Shi et al. A one-piece lateral flow impedimetric test strip for label-free clenbuterol detection
He et al. Facile fabrication of multi-hierarchical porous polyaniline composite as pressure sensor and gas sensor with adjustable sensitivity
Liu et al. Flexible hydrogel non-enzymatic QCM sensor for continuous glucose monitoring
Lawaniya et al. Flexible, low-cost, and room temperature ammonia sensor based on polypyrrole and functionalized MWCNT nanocomposites in extreme bending conditions
Peng et al. A flexible and fully integrated wearable pressure sensing chip system for multi-scenario applications
CN107778480A (zh) 一种柔性电子皮肤传感器及其制备方法
Chen et al. Wearable dual-signal NH3 sensor with high sensitivity for non-invasive diagnosis of chronic kidney disease
CN101368925B (zh) 聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件及其制作方法
CN208270473U (zh) 一种常温乙醇气体传感器
Li et al. Methane sensor based on nanocomposite of palladium/multi-walled carbon nanotubes grafted with 1, 6-hexanediamine
Tang et al. Re-stickable all-solid-state supercapacitor supported by cohesive thermoplastic for textile electronics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180831

RJ01 Rejection of invention patent application after publication