CN108490043B - 一种气体传感器及其制备方法 - Google Patents

一种气体传感器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108490043B
CN108490043B CN201810182256.7A CN201810182256A CN108490043B CN 108490043 B CN108490043 B CN 108490043B CN 201810182256 A CN201810182256 A CN 201810182256A CN 108490043 B CN108490043 B CN 108490043B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
gas sensor
electrode
preparation
sensor
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.)
Active
Application number
CN201810182256.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108490043A (zh
Inventor
李胜夏
任大勇
蓝河
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.)
Shanghai Mi Fang Electronics Ltd
Original Assignee
Shanghai Mi Fang Electronics Ltd
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 Shanghai Mi Fang Electronics Ltd filed Critical Shanghai Mi Fang Electronics Ltd
Publication of CN108490043A publication Critical patent/CN108490043A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108490043B publication Critical patent/CN108490043B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (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)

Abstract

本发明涉及一种气体传感器及其制备方法。本发明气体传感器以柔性材料为衬底、纳米碳材料为气敏材料、微阵列电极为电极层；通过刮涂气敏材料水性分散液实现了气体传感器中气敏材料层制备工艺的简化、快速大面积制备，同时避免了现有技术中喷涂、旋涂等工艺造成的材料浪费，降低了成本；通过喷墨打印制备微阵列电极可实现电极图案的任意定制，从而增大传感器的电流响应，使传感器具有较高的灵敏度，与现有技术中光刻、蒸镀法等电极制备工艺相比，具有简单易操作、成本低、利于大规模制备的特点。

Description

一种气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及气体传感器制造技术领域，具体地，其涉及纳米碳材料薄膜/微阵列金属电极结构的气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体传感器是用于监测气体的成分和动态特征等，并将气体的成分和动态特征等信息转化为电信号的电子器件。在环境或室内气体监测中，相对于传统的气体检测手段，比如气相色谱法、电化学法、红外光谱法等，气体传感器具有可实时检测与管理的特点。
现有技术中制约气体传感器发展的主要原因包括：检测灵敏度低、气体选择性差、功耗大、制备工艺复杂、成本高。其中开发具有优异的气体感应特性的气敏材料是该领域研究热点。传统的气敏材料以二氧化锡、二氧化锌为代表，其制备方便、来源广泛、成本低廉，但其稳定性较差、湿度敏感性强，气体选择性较差，且基于金属氧化物的气体传感器需要在高温下工作，使整个功耗增加，同时不能满足室温气体监测的需求。近年来，研究者发现石墨烯、碳纳米管、C60、多孔碳等纳米碳材料具有室温导电性和较快的载流子迁移率的碳材料可用作气体传感器的气敏材料。
纳米碳材料可分为金属性和半导体性。金属性纳米碳材料具有优良的导电性能，导电率比铜高2～3个数量级，有望应用于高导电性的透明电极或集成电路用纳米级金属导线、太阳能电池、触摸屏、电子纸等方面。纳米碳材料具有优异的电子迁移率，在高灵敏度化学或生物传感器、高性能纳米电子器件、场效应晶体管及纳米集成电路制作等领域有良好的应用前景。鉴于纳米碳材料具有优异的力学性能、手性依赖的导电性能，优异的柔韧性及低密度性，当纳米碳材料最外层碳原子与气体分子结合时，纳米碳材料的电性能就会发生变化，因此其可作为气体敏感器件的气敏材料。研究发现，纳米碳材料对NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S等分子结构富电子的气体具有较高的检测灵敏度。
中国专利CN104677879B中记载了碳纳米管透明气体传感器，其以半导体性单壁碳纳米管为气体感应材料，利用浮动催化剂化学气相沉积法制备并收集半导体性单壁碳纳米管薄膜，经热压转移或喷涂工艺制备担载于柔性透明基体上得到半导体性单壁碳纳米管柔性、透明薄膜，再利用银胶或电镀方式连接导线与外部的输出设备相连接，完成气体传感器的组装，实现了碳纳米管气体传感器的柔性制备、小型化、便携、高灵敏度、低功耗特性，但其通过热压转移或喷涂方法转移半导体性碳纳米管至柔性基底过程中，会造成碳纳米管的浪费，导致传感器总成本的上升，同时，所述技术方案中，通过将银胶滴在碳纳米管薄膜上作为电极或者通过电镀法制备电极，与微阵列化电极相比，其传感器的灵敏度低，同时，大面积电极造成电极材料的浪费，使整个传感器的成本提高。
微阵列传感器具有较高的灵敏度、信噪比和响应时间低等优点，现有技术中微阵列传感器电极的制备多采用光刻、旋涂等方法，例如中国专利CN104655698B记载了一种用于双氧水溶液浓度的石墨烯/氧化石墨烯微阵列电极及其制备方法，其通过光刻技术在ITO玻璃上构建阵列图案，得到具有有序排列的图案的光刻模板，然后通过旋涂法在此模板上沉积氧化石墨烯水溶液，得到石墨烯/氧化石墨烯微阵列电极，然而光刻模板的工艺复杂，旋涂法沉积电极容易造成溶液浪费，提高了电极的制备成本，另外，由于微阵列图案强烈依赖于模板制备工艺，可能对传感器灵敏度造成影响。
综上所述，有关气体传感器的现有技术中，存在衬底多为硅片，制备工艺中以喷涂、旋涂为主，而微阵列电极制备工艺以光刻、蒸镀为主，导致传感器因非柔性而不利于用于可穿戴设备中，制备成本高，灵敏度有待提高的问题，因此亟需提供一种柔性、成本低、灵敏度高的，可采用全溶液法制备的气体传感器及其制备方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人通过大量实验，一方面提供了一种气体传感器，其以柔性材料为衬底，以纳米碳材料膜为气敏材料，以微阵列电极为电极；第二方面提供了制备第一方面中所述的气体传感器的方法，包括通过刮涂纳米碳材料水性分散液制备气敏材料膜层，以及通过打印导电材料制备微阵列电极层；本发明第三方面提供了空气质量监测方法，其通过使用第一方面中所述的气体传感器而实现。
本发明第一方面，提供了一种气体传感器，包括：
柔性衬底；
气敏材料层；
电极层；其中，
所述气敏材料层为纳米碳材料薄膜，纳米碳材料主要包括石墨烯、碳纳米管、C60、多孔碳等材料，所述电极层为微阵列电极。
优选地，所述微阵列电极为为银微阵列电极，且所述柔性衬底为PET、PEN或PI中的一种。
本发明第二方面，提供了本发明第一方面所述气体传感器的制备方法，其包括以下步骤：
气敏薄膜的制备：取适量纳米碳材料水性分散液，通过刮涂法使其在柔性衬底上形成薄膜；优选地，所述纳米碳材料水性分散液中，纳米碳材料的含量为10～15wt％。
微阵列电极的制备：在以上制备的纳米碳材料薄膜上，通过打印电极溶液形成微阵列电极；优选地，所述电极溶液为纳米银分散液，由纳米银和有机溶剂组成，其中纳米银的质量分数为15-20％；更优选地，所述有机溶剂为乙醇和乙二醇的混合溶剂。
优选地，所述气体传感器的制备方法还包括以下步骤：在通过刮涂法制备气敏薄膜后，将气敏薄膜和柔性衬底复合层置于100℃下热处理30min。
本发明第三方面提供了一种空气质量监测方法，通过使用第一方面所述的气体传感器实现。
在以上技术方案中，通过以柔性材料为衬底，使所制得的传感器具有柔性、可穿戴的特点；通过刮涂工艺实现了气体传感器中气敏材料层制备工艺的简化，同时避免了材料的浪费，降低了传感器的制备成本；通过打印法制备微阵列电极，电极的阵列可任意定制，提高了传感器的灵敏度。另外，通过本发明技术方案制备的气体传感器还具有柔性便携、形状和尺寸可任意定制的特点；本发明所述制备气体传感器的方法所涉及的工艺，包括刮涂气敏材料层、打印电极实现了气体传感器的全打印制备，有利于传感器的快速、大面积制备，利于工业化推广。
另外，以上方案可以用于其他薄膜电子器件的制备。
附图说明
图1为通过本发明优选的实施例中制备的电极阵列图。
图2为通过本发明优选实施例制备的柔性气体传感器在在100ppm NH3下的响应和恢复曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文结合附图和优选的实施例对本发明的结构及使用方法做进一步说明，但实施例不视为对本发明的保护范围的限定。
实施例1
气体传感器的制备：
1)气敏膜层的制备：选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为衬底，在PET柔性衬底上刮涂单壁碳管水性分散液，形成均匀的薄膜；
2)气敏膜层后处理：将1)所得复合膜层置于100℃下热处理30min；
3)微阵列电极的制备：将热处理后的纳米碳材料气敏膜层置于装有银墨水的喷墨打印机的打印区域，在其上打印银电极阵列，如图1所示。
图1所示的电极阵列仅为本发明的优选实施例，通过本发明所涉及的喷墨打印法制备微阵列电极时，可根据需要任意设计电极的微阵列图案。
气体传感器性能检测：
将所制备的柔性气体传感器放置到密闭容器内，通NH3或NO2，然后再置换成空气，采用电化学工作站测试其在恒定电压下的电流变化，结果如图2所示。
从图2中可以看出，空气状态下，电流位于很低的水平，通入NH3后，电流明显增加，恢复空气条件下，电流又恢复之前的低值，响应速度和恢复速度都很快，说明实施例所制备的传感器具有高灵敏性，多次测试结果保持稳定也说明器件具有很好的稳定性，可进行多次重复使用。
在本发明的实施例中，通过刮涂纳米碳材料水性分散液制备气敏材料层，并在其上通过打印法制备微阵列电极，实现了传感器的全打印法制备，工艺简单，并且避免了现有技术中喷涂、旋涂等工艺造成的原料浪费，从设备简单化和原料节约两方面降低了成本。同时，喷墨打印制备微阵列电极，电极图案可随意设计，无需模板，提高了电极制备精度，提高了传感器的灵敏度，并且相对于掩模光刻，喷墨打印更适用于大规模制备。因此，相对于现有技术，本发明通过全打印法制备的气体传感器具有高灵敏性、稳定性，低成本，柔性可穿戴，尺寸可调的特点，其所涉及的技术方案适于传感器的快速、大规模制备。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，本领域技术人员在脱离本发明的原理的前提下，根据本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种气体传感器的制备方法，所述气体传感器，从下至上依次包括：
柔性衬底；
气敏材料层；
电极层；
其中，所述气敏材料层为碳纳米管薄膜，所述电极层为银微阵列电极；
所述的气体传感器的制备方法包括：
气敏材料层的制备：取碳纳米管水性分散液，通过刮涂法使其在柔性衬底上形成碳纳米管薄膜；
微阵列电极的制备：在碳纳米管薄膜上，通过打印电极溶液形成微阵列电极；所述电极溶液为纳米银分散液。
2.如权利要求1所述的气体传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性衬底的材质为PET、PEN或PI中的一种。
3.如权利要求1所述的气体传感器的制备方法，还包括以下步骤：在取碳纳米管水性分散液，通过刮涂法使其在柔性衬底上形成碳纳米管薄膜后，将碳纳米管薄膜和柔性衬底复合层置于100℃下热处理30min。
4.如权利要求1所述的气体传感器的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管水性分散液中，碳纳米管的含量为10～15wt％。
5.如权利要求1所述的气体传感器的制备方法，其特征在于：所述纳米银分散液由纳米银和有机溶剂组成，其中纳米银的质量分数为15-20％。
6.如权利要求5所述的气体传感器的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇和乙二醇的混合溶剂。
7.一种气体传感器，其特征在于，所述气体传感器通过如权利要求1-6任一项所述的制备方法制成。
8.一种空气质量监测方法，其特征在于：所述监测方法通过如权利要求7所述的气体传感器实现。
CN201810182256.7A 2017-10-30 2018-03-06 一种气体传感器及其制备方法 Active CN108490043B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711029411 2017-10-30
CN2017110294113 2017-10-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108490043A CN108490043A (zh) 2018-09-04
CN108490043B true CN108490043B (zh) 2020-07-31

Family

ID=63341473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810182256.7A Active CN108490043B (zh) 2017-10-30 2018-03-06 一种气体传感器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108490043B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108627542A (zh) * 2017-03-23 2018-10-09 张家港康得新光电材料有限公司 柔性气体传感器与其制作方法
CN111007114A (zh) * 2019-11-25 2020-04-14 西南民族大学 一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器
CN114324480B (zh) * 2020-07-21 2023-08-29 艾感科技(广东)有限公司 一种气体传感器阵列及其打印溶液调制方法
CN112881471A (zh) * 2021-02-09 2021-06-01 建木柔电(深圳)智能设备有限公司 一种快速响应的一氧化碳气体传感器及制备工艺

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101935010A (zh) * 2010-09-07 2011-01-05 上海交通大学 基于聚酰亚胺柔性基底碳纳米管鼻管式气敏传感器的制备方法
KR20110100807A (ko) * 2010-03-05 2011-09-15 전자부품연구원 플렉서블 가스 센서 어레이 및 그 제조 방법
CN106290488A (zh) * 2016-09-18 2017-01-04 江南大学 一种氨基功能化碳纳米管电阻型甲醛气体传感器及其制备方法
CN106552748A (zh) * 2015-09-21 2017-04-05 常州博碳环保科技有限公司 一种制备大面积碳基薄膜材料的方法
CN107202823A (zh) * 2017-06-20 2017-09-26 龚雨 一种喷墨印刷制备微电极阵列传感器的方法及其应用

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101702438B1 (ko) * 2015-07-13 2017-02-06 울산대학교 산학협력단 산화텅스텐 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 산화그래핀 하이브리드 기반 플렉시블 이산화질소 가스센서 및 그 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110100807A (ko) * 2010-03-05 2011-09-15 전자부품연구원 플렉서블 가스 센서 어레이 및 그 제조 방법
CN101935010A (zh) * 2010-09-07 2011-01-05 上海交通大学 基于聚酰亚胺柔性基底碳纳米管鼻管式气敏传感器的制备方法
CN106552748A (zh) * 2015-09-21 2017-04-05 常州博碳环保科技有限公司 一种制备大面积碳基薄膜材料的方法
CN106290488A (zh) * 2016-09-18 2017-01-04 江南大学 一种氨基功能化碳纳米管电阻型甲醛气体传感器及其制备方法
CN107202823A (zh) * 2017-06-20 2017-09-26 龚雨 一种喷墨印刷制备微电极阵列传感器的方法及其应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展;夏凯伦 等;《物理化学学报》;20161031;第32卷(第10期);第2427-2446页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108490043A (zh) 2018-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108490043B (zh) 一种气体传感器及其制备方法
Zhao et al. Drawn on paper: a reproducible humidity sensitive device by handwriting
Kumar et al. A review on сhemiresistive gas sensors based on carbon nanotubes: device and technology transformation
Kamran et al. Functionalized carbon materials for electronic devices: a review
Yao et al. based solid-state supercapacitors with pencil-drawing graphite/polyaniline networks hybrid electrodes
Wang et al. Exfoliation at the liquid/air interface to assemble reduced graphene oxide ultrathin films for a flexible noncontact sensing device
CN107843364B (zh) 压力传感器、压力传感器阵列及其制备方法
Chen et al. Room temperature pH-dependent ammonia gas sensors using graphene quantum dots
Lipomi et al. Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes
Cardenas et al. Carbon nanotube electronics for IoT sensors
Jung et al. Fast-response room temperature hydrogen gas sensors using platinum-coated spin-capable carbon nanotubes
Wang et al. Large-area flexible printed thin-film transistors with semiconducting single-walled carbon nanotubes for NO2 sensors
Yang et al. Fully transparent resistive memory employing graphene electrodes for eliminating undesired surface effects
Tang et al. Conductive polymer nanowire gas sensor fabricated by nanoscale soft lithography
Zhang et al. Pencil-trace on printed silver interdigitated electrodes for paper-based NO2 gas sensors
CN106680328A (zh) 一种气体传感器阵列及其制备方法
Li et al. Nano chemical sensors with polymer-coated carbon nanotubes
CN105866175A (zh) 一种可印刷柔性氨气传感器及其制备方法
Barandun et al. Challenges and opportunities for printed electrical gas sensors
She et al. SnO2 Nanoparticle‐Coated ZnO Nanotube Arrays for High‐Performance Electrochemical Sensors
Liu et al. Carbon nanotube-based field-effect transistor-type sensor with a sensing gate for ppb-level formaldehyde detection
Su et al. Direct writing of graphene patterns and devices on graphene oxide films by inkjet reduction
Zeng et al. Ultrafast response of self-powered humidity sensor of flexible graphene oxide film
CN104316086A (zh) 一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器及制作方法
Liu et al. Recent advances in inkjet-printing technologies for flexible/wearable electronics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: 201612 Shanghai Songjiang District Jiuting town nine new highway 1005 1005 3 block 102

Applicant after: Shanghai power Fang Electronic Technology Co., Ltd.

Address before: 201612 room 1006, 33 building, 518 Xinzhu Road, Songjiang District, Shanghai.

Applicant before: Shanghai power Fang Electronic Technology Co., Ltd.

SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant