CN110243872A

CN110243872A - 一种可见光激发气敏传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN110243872A
Application number: CN201910510176.4A
Authority: CN
Inventors: 郭新; 王晓雪; 李华曜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-09-17

Abstract

本发明公开了一种可见光激发气敏传感器及其制备方法，气敏传感器包括激发源、基板和敏感层；激发源为可见光光源，基板包括基底和电极，电极设置在基底两端，敏感层设置在基板上方，并覆盖住电极，用于接收可见光并与待测气体发生反应产生气敏响应，通过测试敏感层的电性能变化实现气体传感。本发明采用可见光替代传统的加热器和紫外光作为激发源，敏感材料在受到可见光激发后会产生光生电子空穴对，光生电子空穴对进而与环境气体分子反应形成电信号，即在室温下形成气敏响应过程。采用本方法制备的气敏传感器可在可见光条件下进行气体敏感，相对于传统气体传感器有着安全系数高、器件体积小、制造成本低、室温性能优等特点。

Description

一种可见光激发气敏传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于气敏传感器领域，更具体地，涉及一种可见光激发气敏传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器作为一种可以快速，准确获得环境气氛信息的电子器件在目前环境监测、食品安全、医疗卫生、公共安全等领域中有着广泛的应用。

目前气体传感器根据其工作原理可以分为：半导体型、催化燃烧型、电化学型、声表面波型、红外型等类型。半导体型气体传感器由于其制备简单方便，成本低廉、响应迅速等特点在众多领域中有着广泛的应用前景。半导体型气体传感器的工作原理是根据敏感材料表面吸附气体分子后使其自身的电学性质发生改变。而由于一些气体分子吸附过程在常温下是非自发反应，因此传统半导体气体传感器需要加热至300℃～500℃才能工作，这样一定程度上限制了半导体型气体传感器的应用，同时也增加了传感器的功耗，不利于其集成化应用。另一方面，一些敏感材料受到光照射后，会被激发光生电子与空穴对，该电子与空穴会有较高的能量，可以参与气体吸附反应，进而使得敏感材料在室温下也可以与气体分子发生反应。光激发型半导体气体传感器在一方面上克服了传统半导体型气体传感器需要加热的问题，解决了传统传感器安全隐患和功耗等方面的问题，在另一方面上光激发型气体传感器相对于一般室温型气体传感器有响应大、响应恢复速度快的特点，因此，光激发型气体传感器是目前室温响应气体传感器的主要发展方向之一。

在光激发型气体传感器中，激发所用的光源是最重要的参数之一。中国专利申请《一种NO₂光电气敏传感器的制备方法》(申请号：CN106290482A，申请日：2016年7月15日)采用365nm紫外光激发ZnO实现了对于NO₂气体高效响应。中国专利申请《一种自驱动光激发的气体传感器》(申请号：CN106990140A，申请日：2017年5月16日)采用365nm～400nm或940nm的光源分别对SnO₂-NiO和WS₂进行激发并对不同的气体进行检测，实现了一定的效果。从中我们可以得到，不同的光源对于不同的材料有着明显的影响。波长200～400nm的紫外光具有较高的能量，可以激发禁带宽度小于3.1eV的材料，但紫外光对于生物体有一定的伤害。同时，紫外光在自然界存在很少，在太阳光中只有不到5％的能量为紫外光。因而紫外光激发的气体传感器一方面需要专用的紫外光发生器，另一方面需要对器件进行合适的封装，这样造成紫外光激发气体传感器结构复杂，影响其应用。波长在800～2000nm的红外光其单光子的能量较小，只能激发禁带宽度不超过1.55eV的材料，使得所选择的材料范围很窄。同时红外光有辐射加热的作用，会对材料、基板与生物体等有加热的效果。同时，对于日常照明设备而言，存在较少。因而红外光激发的气体传感器也需要专用的红外光发生器和一定的热隔离措施，造成红外光激发气体传感器结构复杂，影响其应用。对于自然界以及人类生活中所常见的光源而言，在波长400nm～800nm之间的可见光是最常见也是最安全的光源。从太阳光光谱可以得知，可见光区域占有总太阳光能量的50％，目前室内照明以及显示所采用的光源发光范围亦在可见光区域。可以说可见光在生活中无处不在。相对于传统气体传感器而言，可见光激发气体传感器可以利用环境光，例如太阳光或者室内照明，在封装层面上可以减除光源发生器，因此可以极大缩小传感器的封装体积与难度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可见光气敏传感器及其制备方法，旨在解决现有热激发气敏传感器需要工作在高温环境下导致的安全性能低以及制造工艺复杂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种气敏传感器，包括激发源、基板和敏感层；

激发源为可见光光源，波长为380nm～750nm，作为激发气敏传感器产生气敏响应的激发源；

基板包括基底和电极，电极设置在基底两端，用于测试敏感层的电性能变化；

敏感层设置在基板上方，并覆盖住电极，作为可见光的接收和气敏响应反应的场所。可见光激发敏感层后会产生电子空穴对，光生电子空穴对进而与环境气体分子反应形成电信号，即产生气敏响应，通过测试敏感层的电性能变化实现气体传感。

优选地，敏感层的禁带宽度为1.55eV～3.1eV，即可见光波段能量。

优选地，敏感层的电性能变化包括电阻大小的改变。

优选地，敏感层包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴或者上述材料的任意组合或者对氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化钴、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴其中任一材料进行铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳、氮的掺杂。

优选地，基底为惰性或者柔性材料，包括玻璃、硅片、陶瓷、PET、PI。

按照本发明的另一方面，提供了一种可见光激发气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在清洗后的基底上方通过预设的第一工艺流程形成电极，得到基板；

步骤2：在基底上方通过预设的第二工艺流程形成敏感层，覆盖住电极。

优选地，预设的第一工艺流程包括丝网印刷或者掩膜光刻，预设的第二工艺流程包括丝网印刷、水热合成、静电纺丝、气相沉积、电化学沉积或者激光脉冲沉积。

优选地，形成在基底上方的敏感层的禁带宽度为1.55eV～3.1eV，即可见光波段能量。

优选地，形成在所述基底上方的敏感层包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴或者上述材料的任意组合或者对氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化钴、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴其中任一材料进行铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳、氮的掺杂。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的可见光激发气敏传感器，通过利用可见光作为唯一激发源，克服了传统半导体型气敏传感器需要加热的问题，实现气敏传感器在室温下的无热源工作，从源头避免了热激发导致的安全隐患；

2、本发明提供的可见光激发气敏传感器与现有的热激发型气敏传感器相比，在结构上删除了加热器的部分，无需加热器为器件供能，解决了传统气敏传感器能耗较高的问题，同时由于加热器是现有气敏传感器制造过程中最为复杂、精度要求最高的部分，因此本发明在器件结构上的改进可以显著地降低器件制造的工艺难度，便于实现气敏传感器柔性化；

3、本发明提供的可见光激发气敏传感器与一般无热源型室温型气敏传感器相比，可见光提供的激活能可以加快敏感层材料与目标气体的吸脱附和反应速度，从而显著的提高响应度、响应恢复速度以及长期稳定性，具有很强的实用前景；

4、本发明提供的可见光激发气敏传感器与紫外光激发气敏传感器相比，可见光对人体无危害，使得可见光激发气敏传感器的生物安全性极高，由于紫外光需要特定的发生装置，而可见光易于获取，十分有利于便携化和可穿戴化器件的集成。

附图说明

图1是本发明提供的气体传感器的制备方法步骤一中基板的结构示意图；

图2是本发明提供的气体传感器的制备方法步骤二中敏感层的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种可见光激发气敏传感器，包括激发源、基板和敏感层；

基板包括基底1和电极2，电极设置在基底两端，用于测试敏感层材料的电性能变化；

敏感层3设置在基板上方，并覆盖住电极2，用于接收可见光，激发后会产生电子空穴对，光生电子空穴对进而对环境气体分子反应形成电信号，即产生气敏响应，通过测试敏感层的电阻变化实现气体传感；

激发源4为可见光光源，波长为380nm～750nm，作为激发气敏传感器产生气敏响应的激发源。

具体地，敏感层3的禁带宽度为1.55eV～3.1eV，即可见光波段能量。

具体地，敏感层3包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴或者上述材料的任意组合或者对氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化钴、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴其中任一材料进行铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳、氮的掺杂。

具体地，基底1为惰性或者柔性材料，包括玻璃、硅片、陶瓷、PET、PI。

本发明还提供了一种可见光激发气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在清洗后的基底1上方通过预设的第一工艺流程形成电极2，得到基板，如图1所示；

步骤2：在基底上方通过预设的第二工艺流程形成敏感层3，覆盖住电极，如图2所示。

具体地，预设的第一工艺流程包括丝网印刷或者掩膜光刻，预设的第二工艺流程包括丝网印刷、水热合成、静电纺丝、气相沉积、电化学沉积或者激光脉冲沉积。

具体地，形成在基底1上方的敏感层3的禁带宽度为1.55eV～3.1eV，即可见光波段能量。

具体地，形成在所述基底1上方的敏感层3包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴或者上述材料的任意组合或者对氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化钴、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴其中任一材料进行铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳、氮的掺杂。

实施例1

选择FTO玻璃材料作为基板。利用激光切割器在FTO玻璃上切一条凹槽使玻璃表面形成两个的FTO导电电极。将切割后的玻璃基板在丙酮溶液中超声清洗10分钟，去除表面污渍，然后取出基板用去离子水清洗掉残留的有机溶液，得到传感器基板。

选择醋酸铟和醋酸镉作为溶质，以去离子水和N,N-二甲基甲酰胺体积比为2:5的混合物作为溶剂，并以0.1g/mL的比例加入聚乙烯吡咯烷酮，配置成铟/镉双元前驱体。利用静电纺丝技术将配置好的前驱体制备在玻璃基板上形成纳米线。再放入马弗炉中350℃煅烧4小时得到气敏传感器成品。

选用蓝光LED作为激发光源，放置在玻璃器件的上方或下方，得到可见光激发气体传感器。

实施例2

选择氧化硅材料作为基板。将氧化硅基板在丙酮溶液中超声清洗10分钟，去除表面污渍，然后取出基板用去离子水清洗掉残留的有机溶液。采用掩模光刻的方式在基板上制作金导电电极，得到传感器基板。

选取氧化钨作为靶材，采用激光脉冲沉积方式在传感器基板上制作一层200nm的薄膜，各项参数为：激光功率2J/cm²，激光脉冲频率为5Hz，基板间距为8cm，基板温度为400℃，真空度小于10^-4mbar。

选用白炽灯作为激发光源，放置在器件上方1米处，得到可见光激发气体传感器。

实施例3

选择聚酰亚胺材料作为基板。将聚酰亚胺基板在丙酮溶液中超声清洗10分钟，去除表面污渍，然后取出基板用去离子水清洗掉残留的有机溶液。采用光刻掩模版方式在基板上制作铂导电电极，得到柔性传感器基板。

选择氯化铟作为溶质，以N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂，并加入聚乙烯吡咯烷酮，配置成铟元前驱体。利用定向静电纺丝技术将配置好的前驱体制备在氧化硅基板上形成平行定向纳米线阵列。再放入马弗炉中300℃煅烧2小时两次，得到碳/氧化铟复合气敏传感器成品。

选用白光LED作为激发光源，放置在器件上方1cm处，得到可见光激发气体传感器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可见光激发气敏传感器，其特征在于，包括激发源、基板和敏感层；

所述激发源为可见光光源，所述基板包括基底和电极，所述电极设置在基底两端，所述敏感层设置在所述基板上方，并覆盖住所述电极，用于接收可见光并与待测气体发生反应产生气敏响应，通过测试所述敏感层的电性能变化实现气体传感。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述敏感层的禁带宽度为1.55eV～3.1eV。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述敏感层的电性能变化包括电阻大小的改变。

4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述敏感层包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴或者上述材料的任意组合或者对氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化钴、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴其中任一材料进行铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳、氮的掺杂。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述基底为惰性或者柔性材料，包括玻璃、硅片、陶瓷、PET、PI。

6.一种权利要求1至5任一项所述的可见光激发气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2：在基底上方通过预设的第二工艺流程形成敏感层，覆盖住所述电极。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预设的第一工艺流程包括丝网印刷或者掩膜光刻，所述预设的第二工艺流程包括丝网印刷、水热合成、静电纺丝、气相沉积、电化学沉积或者激光脉冲沉积。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述形成在所述基底上方的敏感层的禁带宽度为1.55eV～3.1eV。

9.根据权利要求6或8所述的制备方法，其特征在于，所述形成在所述基底上方的敏感层包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴或者上述材料的任意组合或者对氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铟、三氧化钨、氧化铁、氧化铜、氧化钴、氧化镉、硫化镉、硫化铜、钛酸钴其中任一材料进行铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳、氮的掺杂。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基底为惰性或者柔性材料，包括玻璃、硅片、陶瓷、PET、PI。