CN111951670A - 具有气敏功能的显示、照明、可穿戴电子设备及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有气敏功能的显示、照明、可穿戴电子设备及制备方法，属于气体传感器和集成应用领域，显示设备包括发光屏幕、基底、透明电极和敏感层，基底与发光屏幕为同一物体或者基底作为独立物体附着在发光屏幕上，发光屏幕的光用于为敏感层的气敏反应提供能量，敏感层贴附在基底上，透明电极位于敏感层和基底之间，同时还位于基底两端，敏感层作为激发光接收和气敏响应反应的场所。将发光屏幕替换成照明体，则获得照明设备。上述显示设备可集成在可穿戴电子设备上。本发明通过将光激发气体传感器与显示、照明设备集成为一体，获得稳定的可见光源，并且通过巧妙地结构共形设计，大幅度缩小了整体结构的体积，能用于柔性可穿戴电子设备上。

Description

具有气敏功能的显示、照明、可穿戴电子设备及制备方法

技术领域

本发明属于气体传感器和其他设备集成应用领域，更具体地，涉及一种具有气敏功能的显示、照明、可穿戴电子设备及制备方法。

背景技术

随着人们对便携可穿戴电子设备需求的日益增长，柔性透明器件的开发与集成也逐渐发展为电子产品的重点研究方向。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。而目前气体传感器仍主要采用传统式元件形式，难以在柔性与可穿戴器件上集成。

目前，金属氧化物半导体型气体传感器根据其功能方式主要分为热激发型和光激发型两种。现有的商用产品以热激发型为主，该种传感器需要加热至300℃～500℃才能工作，这样会存在高温安全问题，同时也增加了传感器的功耗，不利于其集成化应用。

现有光激发气体传感器的光源以紫外光为主，但紫外光对于生物体有一定的伤害，且紫外光源的发光效率较低，并不能达到较好的节能效果。还有一些研究希望利用室内照明或者太阳光等环境光源为传感器提供能量，但这种环境光源并不稳定，传感器与光源的距离、光源自身的稳定性以及周围光环境的干扰等诸多因素均会对传感器的工作稳定性产生影响。因此，急需一种稳定便捷又节能的光源集成方式为光激发气体传感器提供稳定光能。

此外，光激发型气体传感器因为其室温工作特性受到了广泛的关注，但是该种气体传感器还在理论研究阶段，并没有出现实用的器件。其中的一个难题就是光源与传感器的集成问题。光激发型气体传感器的光能主要施加在敏感材料的表面，因此现有的器件结构均是光源与敏感材料在基板的同侧且光源悬于敏感材料的上方。光源与敏感材料之间必须保持足够的空间以待测气体可以充分的在敏感材料表面流动，以利于气体的吸附与脱附。这种结构上的特殊要求导致至今并没有一种成熟的光激发型气体传感器出现。

因此，如何解决上述的器件结构缺陷，合理的优化光激发气体传感器的敏感材料和光源，是先进亟待攻破的技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有气敏功能的显示、照明、可穿戴电子设备及制备方法，通过将光激发气体传感器与显示、照明设备集成为一体，获得稳定的可见光源，并且通过巧妙地结构共形设计，大幅度缩小了整体结构的体积，从而可将其集成在柔性可穿戴电子设备上。本发明成功将光激光传感器和显示设备、照明设备集成为一体，填补现有光激发气体传感器在光源集成方式上的缺失，既提供了一种相对成熟的光激发气体传感器，也拓展了光激发气体传感器的应用范围。

为实现上述发明目的，按照本发明的一个方面，提供一种显示设备，其包括发光屏幕、基底、透明电极和敏感层，基底与发光屏幕为同一物体或者基底作为独立物体附着在发光屏幕上，发光屏幕的光用于为敏感层的气敏反应提供能量，敏感层贴附在基底上，透明电极位于敏感层和基底之间，同时还位于基底两端，，敏感层作为激发光接收和气敏响应反应的场所。

进一步的，基底采用贴合、镶嵌或者覆盖的方式附着在发光屏幕上，基底为透明惰性材料制备，材质为玻璃、蓝宝石、PET或/和PI。

进一步的，敏感层禁带宽度为1.55eV～3.1eV，敏感层材质包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化镉、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯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、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或者多种材料进行金、银、铂、钯、铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳或/和氮的掺杂或者修饰。

按照本发明的第二个方面，还提供一种照明设备，其包括照明体、基底、透明电极和敏感层，基底与照明体为同一物体或者基底作为独立物体附着在照明体上，照明体辐射的光用于为敏感层的气敏反应提供能量，敏感层贴附在基底上，透明电极位于敏感层和基底之间，同时还位于基底两端，，敏感层作为激发光接收和气敏响应反应的场所。

进一步的，基底采用贴合、镶嵌或者覆盖的方式附着在照明体上，基底为透明惰性材料制备，材质为玻璃、蓝宝石、PET或/和PI。

进一步的，敏感层禁带宽度为1.55eV～3.1eV，敏感层材质包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化镉、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯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、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或者多种材料进行金、银、铂、钯、铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳或/和氮的掺杂或者修饰。

以上发明构思中，激发源为显示、发光屏幕或者照明体(具有稳定发光能力的光源或基底都可以)，利用发光屏幕或者照明体的光为敏感层的气敏反应提供能量。电极设置在基底两端，用于测试敏感层的电性能变化并将该信号传输到外界的显示设备。基底可以是单独的部分，也可以是发光体或者发光屏幕本身。基底可以是独立的结构，则基底通过转移的方式与发光屏幕和发光体结合，具体可以采用贴合、镶嵌、覆盖等方式；基底也可以本身是发光屏幕或者发光体。敏感层设置在基底上方或下方并局部覆盖电极，作为激发光的接收和气敏响应反应的场所。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。敏感层的禁带宽度为1.55eV～3.1eV，即屏幕或者照明体可发射的可见光波段能量。敏感层的电性能变化包括电阻大小的改变。

按照本发明的第三个方面，还提供一种可穿戴电子设备，其包括如上所述的显示设备。

按照本发明的第四个方面，还提供一种制备如上所述的显示设备、照明设备的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：在洁净的基底上制备透明电极，

S2：在基底上表面制备敏感层，并且，保证透明电极位于敏感层和基底之间，

S3：在制备显示设备时，将基底本身作为发光屏幕以形成显示设备，或者将基底附着在发光屏幕上，

在制备照明设备时，将基底本身作为照明体，或者将基底附着在照明体上形成照明设备。

进一步的，步骤S1中，采用丝网印刷、掩膜光刻、电化学沉积中的一种或者多种工艺在基底上制备透明电极。

进一步的，采用丝网印刷、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中的一种或者多种工艺在基底上制备敏感层。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的显示设备、照明设备和可穿戴电子设备其包括与发光屏幕或照明体共形设计以集成为一体的光激发气体传感器，利用发光屏幕和照明体的可见光作为光激发气体传感器的稳定光激发源，克服了现有光激发气体传感器需额外在顶部添加光源且光源与气体传感器表面必须保持一定距离的结构缺陷，实现了多设备的集成应用，设计巧妙合理，能大大拓展光激发气体传感器的应用范围，并且增加了显示设备、照明设备以及可穿戴设备的安全性，一举多得。并且，由于共形设计，使得集成的显示设备或者照明设备体积极小，从而能成功应用于可穿戴电子设备上。

2、本发明显示设备、照明设备包括的可见光激发气体传感器与现有的热激发型气体传感器相比，在结构上删除了加热器的部分，无需加热器为器件供能，解决了传统气体传感器能耗较高的问题，同时也实现气体传感器对现有显示屏幕光源和照明体光源的二次利用。此外，显示屏幕光具有稳定的光功率输出，能显著提高气体传感器工作的稳定性，改善了利用环境光源的气体传感器光源不稳定、易受到环境变化干扰的问题。

3、本发明显示设备、照明设备包括的可见光激发气体传感器与紫外光激发气体传感器相比，显示屏幕光和照明体光均为可见光，对人体无危害，使得气体传感器的生物安全性极高，提高了光激发气体传感器的安全性能。

附图说明

图1是本发明提供的显示设备或者照明设备中基底与发光屏幕或者照明体为两种相互独立结构时显示设备或者发光屏幕结构示意图。

图2是本发明提供的显示设备或者照明设备中基底与发光屏幕或者照明体为同一物体时显示设备或者发光屏幕结构示意图。

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。

本发明提供一种显示设备，其包括发光屏幕、基底、透明电极和敏感层，基底与发光屏幕为同一物体或者基底作为独立物体附着在发光屏幕上，发光屏幕的光用于为敏感层的气敏反应提供能量，透明电极设置在基底两端，敏感层设置在基底上方或下方并局部覆盖住透明电极，敏感层作为激发光接收和气敏响应反应的场所。同样地，将上述发光屏幕替换成照明体，可以得到一种照明设备。基底采用贴合、镶嵌或者覆盖的方式附着在发光屏幕或者照明体上，基底为透明惰性材料制备，材质为玻璃、蓝宝石、PET或/和PI。敏感层禁带宽度为1.55eV～3.1eV，敏感层材质包括纯氧化铟、三氧化钨、氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化镉、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯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、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或者多种材料进行金、银、铂、钯、铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳或/和氮的掺杂或者修饰。

实际上，激发源为显示、发光屏幕或者照明体都可以(具有稳定发光能力的光源或基底都可以)，利用发光屏幕或者照明体的光为敏感层的气敏反应提供能量。电极设置在基底两端，用于测试敏感层的电性能变化并将该信号传输到外界的显示设备。基底可以是单独的部分，也可以是发光体或者发光屏幕本身。基底是单独部分时，则基底通过转移的方式与发光屏幕和发光体结合，具体可以采用贴合、镶嵌、覆盖等方式。基底也可以本身是发光屏幕或者发光体，此时，共形设计集成度更高，体积更为细小。敏感层设置在基底上方或下方并覆盖住电极，作为激发光的接收和气敏响应反应的场所。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。敏感层的禁带宽度为1.55eV～3.1eV，即屏幕或者照明体可发射的可见光波段能量。敏感层的电性能变化包括电阻大小的改变。

下面结合附图，进一步详细阐述本发明显示设备或者照明设备的集成结构，其中，图1是本发明提供的显示设备或者照明设备中基底与发光屏幕或者照明体为两种相互独立结构时显示设备或者发光屏幕结构示意图。图2是本发明提供的显示设备或者照明设备中基底与发光屏幕或者照明体为同一物体时显示设备或者发光屏幕结构示意图。结合两图可知，其包括基底1和透明电极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设置在基底上方或电极下方，并覆盖住透明电极2，用于接收激发光，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为显示屏幕或者发光体，激发源4为激发气体传感器产生气敏响应的激发源。图2中，激发源4与基底1为同一结构。

以上显示设备、照明设备的制备方法如下：

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，预设的第一工艺流程包括丝网印刷或者掩膜光刻。

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，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。

步骤3：若基底1与激发源4不是同一结构，则将基底下方通过预设的第三工艺流程与激发源4相结合。若基底1与激发源4是同一结构，则不需要执行步骤3。

下面结合具体的实施例进一步详细说明本发明方法。

实施例1

选择FTO玻璃材料作为基底。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小时得到气体传感器成品。

将玻璃器件镶嵌在白炽灯灯管表面上，得到集成有光激发气体传感器白炽灯灯管。

实施例2

选择蓝宝石材料作为基底。将蓝宝石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ITO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。

将蓝宝石器件贴在在显示屏幕上，得到集成有光激发气体传感器的显示屏幕。

实施例3

选择聚酰亚胺材料作为基底。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透明银纳米线导电电极，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/氧化铟复合气体传感器成品。

将聚酰亚胺器件贴在在LED表面上，得到集成有光激发气体传感器的LED照明设备。

在制备可穿戴电子设备时候，使用本发明上述的显示设备，则可穿戴电子设备同时具有气敏检测功能，能提高可穿戴电子设备对环境的识别和检测能力。

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 (10)

1.一种具有气敏功能的显示设备，其特征在于，其包括发光屏幕、基底、透明电极和敏感层，基底与发光屏幕为同一物体或者基底作为独立物体附着在发光屏幕上，发光屏幕的光用于为敏感层的气敏反应提供能量，敏感层贴附在基底上，透明电极位于敏感层和基底之间，同时还位于基底两端，敏感层作为激发光接收和气敏反应的场所。

2.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，基底采用贴合、镶嵌或者覆盖的方式附着在发光屏幕上，基底为透明惰性材料制备，材质为玻璃、蓝宝石、PET或/和PI。

3.如权利要求2所述的显示设备，其特征在于，敏感层禁带宽度为1.55eV～3.1eV，敏感层材质选自纯氧化铟、三氧化钨、氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化镉、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种，或者

敏感层材质选自掺杂或者修饰而获得的材料，掺杂或者修饰而获得的材料是指对氧化锡、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、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或者多种材料进行金、银、铂、钯、铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳或/和氮的掺杂或者修饰而获得的材料。

4.一种具有气敏功能的照明设备，其特征在于，其包括照明体、基底、透明电极和敏感层，基底与照明体为同一物体或者基底作为独立物体附着在照明体上，照明体辐射的光用于为敏感层的气敏反应提供能量，敏感层贴附在基底上，透明电极位于敏感层和基底之间，同时还位于基底两端，敏感层作为激发光接收和气敏响应反应的场所。

5.如权利要求4所述的照明设备，其特征在于，基底采用贴合、镶嵌或者覆盖的方式附着在照明体上，基底为透明惰性材料制备，材质为玻璃、蓝宝石、PET或/和PI。

6.如权利要求5所述的照明设备，其特征在于，敏感层禁带宽度为1.55eV～3.1eV，

敏感层材质选自纯氧化铟、三氧化钨、氧化锡、氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化镉、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种，或者

敏感层材质选自掺杂或者修饰而获得的材料，掺杂或者修饰而获得的材料是指对氧化锡、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、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或者多种材料进行金、银、铂、钯、铁、钴、镍、锰、铈、铌、碳或/和氮的掺杂或者修饰而获得的材料。

7.一种具有气敏功能的可穿戴电子设备，其特征在于，其包括如权利要求1-3之一所述的显示设备。

8.制备如权利要求1-6之一所述的设备的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：在洁净的基底上制备透明电极，

S2：在基底上表面制备敏感层，并且，保证透明电极位于敏感层和基底之间，

S3：在制备显示设备时，将基底本身作为发光屏幕以形成显示设备，或者将基底附着在发光屏幕上；

在制备照明设备时，将基底本身作为照明体，或者将基底附着在照明体上形成照明设备。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用丝网印刷、掩膜光刻、电化学沉积中的一种或者多种工艺在基底上制备透明电极。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，采用丝网印刷、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中的一种或者多种工艺在基底上制备敏感层。

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