CN108490040A - 石墨烯气体单面印刷电容式传感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，该结构包括气体侦测层、导电层和基材层；所述气体侦测层、导电层和基材层三者由上至下依次排列且相层叠；所述气体侦测层由多根石墨烯小片构成，且多根石墨烯小片呈两组分布，每组石墨烯小片的末端均固定在导电层的对应侧边边缘处，且其中一组的石墨烯小片的另一末端延伸至另一组石墨烯小片的一末端，且一组中的一根石墨烯小片位于另一组中的两个石墨烯小片之间；且多根石墨烯小片暴露于空气中与气体分子接触。本发明提高了侦测二氧化氮或氮氢气体的浓度的精确度和灵敏度。

Description

石墨烯气体单面印刷电容式传感结构
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种石墨烯气体单面印刷电容式传感结构。
背景技术
石墨烯的应用已是全世界的关注，然而对于石墨烯的研究，还在起步阶段。石墨烯是非常有特质的二维新型材料，然而这新型材料的应用上主要在材料添加上居多，要发展更深层和带功能性方向的材料才是科技进步的方向，这就要求必须在原料上制造出带功能特性的材料。原有石墨烯制造出来的材料叫N型石墨烯，意思是说，现在的石墨烯材料作为添加用途的材料是没有带自主特性的、和本身没带离子的石墨烯叫N型石墨烯，N的意义指：不带离子特性的石墨烯non-ionic graphene或中性石墨烯neutral graphene。
我们有必要在添加离子生产上做工作，做出不一样的和带功能性的石墨烯，这也是是未来必要的研究课题和应用课题
在石墨烯作产品的应用方面主要是以添加剂为主，但是，石墨烯本身带离子的功能性应用并不多。为了普及使用石墨烯带功能特性方面的应用，镶嵌离子技术就是今后的必然发展方向。
石墨烯是世上已知物料中在常温带有非常好的导电性，而由于其电子在石墨烯表面的游离性质对其他物质的干扰非常敏感，所以可以利用此特性制成个样的传感器。
氨氮是指水中以游离氨(NH3)和铵离子(NH4)形式存在的氮。动物性有机物的含氮量一般较植物性有机物为高。同时，人畜粪便中含氮有机物很不稳定，容易分解成氨。因此，水中氨氮含量增高时指以氨或铵离子形式存在的化合氨。
氨氮的来源
(1)城市生活污水水中氨氮的来源主要为生活污水中含氮有机物在微生物作用下的分解产物。还有农作物生长过程中以及氮肥的使用也会产生氨氮，并随着污水排入城市的污水处理厂或直接排入水体中。
(2)氨和亚硝酸盐可以互相转化水中的氨在氧的作用下可以生成亚硝酸盐，并进一步形成硝酸盐。同时水中的亚硝酸盐也可以在厌氧条件下受微生物作用转化为氨。
(3)某些工业废水，如焦化废水和合成氨化肥厂废水等。化肥厂、发电厂、水泥厂等化工厂向环境中排放含氨的气体、粉尘和烟雾；随着人民生活水平的不断提高，私家车也越来越多，大量的自用轿车和各种型号的货车等交通工具也向环境空气排放一定量含氨的汽车尾气。这些气体中的氨溶于水中，形成氨氮，污染了水体。
氨氮对人体健康的影响
水中的氨氮可以在一定条件下转化成亚硝酸盐，如果长期饮用，水中的亚硝酸盐将和蛋白质结合形成亚硝胺，这是一种强致癌物质，对人体健康极为不利。
氨氮对生态环境的影响
氨氮对水生物起危害作用的主要是游离氨，其毒性比铵盐大几十倍，并随碱性的增强而增大，对鱼的危害类似于亚硝酸盐。
氨氮对水生物的危害有急性和慢性之分。慢性氨氮中毒危害为：摄食降低，生长减慢，组织损伤，降低氧在组织间的输送。鱼类对水中氨氮比较敏感，当氨氮含量高时会导致鱼类死亡。急性氨氮中毒危害为：水生物表现为亢奋、在水中丧失平衡、抽搐，严重者甚至死亡。氨氮对水体造成了污染，使鱼类死亡，或形成亚硝酸盐危害人类的健康。所以氨氮是评价水体污染和“自净”状况的重要指标。我国现行地表水、地下水、污水综合排放标准和渔业水质标准中均规定了氨氮的浓度限。但是现有技术中没有一种传感器能精确的检测出二氧化氮或氮氢气体的浓度。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种测量精度及灵敏度高的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构。
为实现上述目的，本发明提供一种石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，包括气体侦测层、导电层和基材层；所述气体侦测层、导电层和基材层三者由上至下依次排列且相层叠；所述气体侦测层由多根石墨烯小片构成，且多根石墨烯小片呈两组分布，每组石墨烯小片的末端均固定在导电层的对应侧边边缘处，且其中一组的石墨烯小片的另一末端延伸至另一组石墨烯小片的一末端，且一组中的一根石墨烯小片位于另一组中的两个石墨烯小片之间；且多根石墨烯小片暴露于空气中与气体分子接触。
其中，所述气体侦测层通过石墨烯导电油墨固定在导电层上。
其中，所述导电层的长度为20mm，且高度也为20mm；所述一组中的石墨烯小片的另一末端与另一组中石墨烯小片的末端之间的距离为0.01mm；每相邻两个石墨烯小片之间的间距为0.01mm；每根石墨烯小片的粗度为0.05mm.。
其中，所述基材层由印刷材料制成。
其中，所述传感结构还包括用于测量电容变动的电容变动电路，所述电容变动电路包括第一电容、第二电容和电阻，所述第一电容的两端连接电压，且第一电容的一端通过电阻与第二电容的负极连接，所述第二电容的正极连接至第一电容的另一端。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，该结构主要包括依次相层叠的气体侦测层、导电层和基材层，且气体侦测层由多根石墨烯小片构成，多根石墨烯小片暴露于空气中与气体分子接触，通过将石墨烯小片暴露，提供表面给气体分子依附或作电子交换。上述结构的改进，使得本产品价格低廉又省电，且可以配合物联网建立真正ubiquitous的气体监测网络，可以大量放置不同地点，甚至作一次性的使用。利用本发明的传感结构来侦测NO2气体，使得可以达到0.1ppm的浓度；侦测NH3气体，可以达到15ppm的浓度，本发明提高了侦测二氧化氮或氮氢气体的浓度的精确度和灵敏度。
附图说明
图1为本发明的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构的结构示意图；
图2为本发明中电容变动电路的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1，本发明提供的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，包括气体侦测层10、导电层11和基材层12；所述气体侦测层、导电层和基材层三者由上至下依次排列且相层叠；所述气体侦测层由多根石墨烯小片101构成，且多根石墨烯小片呈两组分布，每组石墨烯小片的末端均固定在导电层的对应侧边边缘处，且其中一组的石墨烯小片的另一末端延伸至另一组石墨烯小片的一末端，且一组中的一根石墨烯小片位于另一组中的两个石墨烯小片之间；且多根石墨烯小片暴露于空气中与气体分子接触。
相较于现有技术的情况，本发明提供的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，该结构主要包括依次相层叠的气体侦测层、导电层和基材层，且气体侦测层由多根石墨烯小片构成，多根石墨烯小片暴露于空气中与气体分子接触，通过将石墨烯小片暴露，提供表面给气体分子依附或作电子交换。上述结构的改进，使得本产品价格低廉又省电，且可以配合物联网建立真正ubiquitous的气体监测网络，可以大量放置不同地点，甚至作一次性的使用。利用本发明的传感结构来侦测NO2气体，使得可以达到0.1ppm的浓度；侦测NH3气体，可以达到15ppm的浓度，本发明提高了侦测二氧化氮或氮氢气体的浓度的精确度和灵敏度。
在本实施例中，所述气体侦测层通过石墨烯导电油墨固定在导电层上。所述导电层的长度L为20mm，也可以小于这个数据，且高度H也为20mm，也可以小于这个数据；所述一组中的石墨烯小片的另一末端与另一组中石墨烯小片的末端之间的距离b为0.01mm，也可以小于这个数据；每相邻两个石墨烯小片之间的间距a为0.01mm，也可以小于这个数据；每根石墨烯小片的粗度为0.05mm，也可以小于这个数据。
在本实施例中，所述基材层由印刷材料制成。本发明中的导电层是用于固定石墨烯小片架构，提供导电路径；基材层作为部件之主要结构，与线路其他元件组合。
请进一步参阅图2，所述传感结构还包括用于测量电容变动的电容变动电路，所述电容变动电路包括第一电容C、第二电容Vs和电阻R，所述第一电容的两端连接电压Vc，且第一电容的一端通过电阻与第二电容的负极连接，所述第二电容的正极连接至第一电容的另一端。
本发明利用天元羲王生产的高纯度石墨烯(N型或各离子嵌入型)对比CVD或追求单层石墨烯制作传感器的成本要低非常很多。譬如一克天元羲王高纯度石墨烯可以以人民币10块价格卖给下游应用产品生产商，再制备成油墨作大量印刷，可以再一步把成本下降。此发明是利用到电容的设计作传感，比电阻型的设计更省电更耐用；由于价格低廉又省电，此发明可以配合物联网建立真正ubiquitous的气体监测网络，可以大量放置不同地点，甚至作一次性的使用。本发明制备材料主要是石墨烯小片，可以从天元羲王采购，其中可以是N型的高纯度石墨烯、金属或非金属离子嵌入石墨烯晶格的功能性石墨烯。导电油墨是一种由导电填料、连结料、溶剂和助剂组成的导电性复合材料。导电填料是核心组分，直接影响油墨的导电性，即石墨烯导电油墨的填料就是石墨烯。
制备导电油墨的基本需求是：
1.石墨烯(导电填料)比例占20％以上
2.少層石墨烯小片，層數在5层以下
3.石墨烯小片平面尺寸(x-y)在30um以下
4.油墨具有良好表面依附性
5.导电性达到3x104S/m以上
油墨表面需要有20％以上直接暴露石墨烯小片于空气中，提供表面给气体分子依附或作电子交换。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，其特征在于，包括气体侦测层、导电层和基材层；所述气体侦测层、导电层和基材层三者由上至下依次排列且相层叠；所述气体侦测层由多根石墨烯小片构成，且多根石墨烯小片呈两组分布，每组石墨烯小片的末端均固定在导电层的对应侧边边缘处，且其中一组的石墨烯小片的另一末端延伸至另一组石墨烯小片的一末端，且一组中的一根石墨烯小片位于另一组中的两个石墨烯小片之间；且多根石墨烯小片暴露于空气中与气体分子接触。
2.根据权利要求1所述的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，其特征在于，所述气体侦测层通过石墨烯导电油墨固定在导电层上。
3.根据权利要求1所述的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，其特征在于，所述导电层的长度为20mm，且高度也为20mm；所述一组中的石墨烯小片的另一末端与另一组中石墨烯小片的末端之间的距离为0.01mm；每相邻两个石墨烯小片之间的间距为0.01mm；每根石墨烯小片的粗度为0.05mm.。
4.根据权利要求1所述的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，其特征在于，所述基材层由印刷材料制成。
5.根据权利要求1所述的石墨烯气体单面印刷电容式传感结构，其特征在于，所述传感结构还包括用于测量电容变动的电容变动电路，所述电容变动电路包括第一电容、第二电容和电阻，所述第一电容的两端连接电压，且第一电容的一端通过电阻与第二电容的负极连接，所述第二电容的正极连接至第一电容的另一端。
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