CN112881471A - 一种快速响应的一氧化碳气体传感器及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速响应的一氧化碳气体传感器及制备工艺，涉及半导体气体传感器技术领域，包括：底层聚酰亚胺柔性基底、表层聚氨酯涂层、高精度银电极以及表层TrGO传感材料层。本发明利用印刷电子器件技术，传感涂层厚度被降到最低，降低了器件材料成本与物理体积，有效地提高了传感器的灵敏度和响应/恢复时间；并且本发明的制备工艺基于柔性电子印刷技术，在卷对卷打印机基础上，使用了挤压夹缝式印刷头、凸版印刷头以刮涂印刷头，最大化提升了器件印刷精度，缩小器件大小，器件外形可变，实现了完全客制化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体气体传感器领域，尤其涉及一种快速响应的一氧化碳气体传感器及制备工艺。
背景技术
一氧化碳是一种无色、无臭、无刺激性的气体，通常由含碳物质未完全燃烧的产生，或是液化气管道泄漏、工业生产煤气以及煤炭开采中产生，一氧化碳同时也是一种易燃易爆危险气体，与空气的混合爆炸极限为12％～75％，此外，一氧化碳与血液中的血红蛋白结合，其亲和力比氧气与血红蛋白的亲和力大200多倍，当短时间内吸入过多一氧化碳时，会导致组织缺氧，产生中毒症状，严重时会导致神经系统的严重损害甚至死亡。因此，在日常空气质量检测、危化品运输气体监测以及工业环境安全监测领域都需要检测监控一氧化碳气体的浓度。
现有技术中一氧化碳气体传感器的种类繁多，目前工业广泛使用的气体监测手段为红外光谱式气体传感器。该方式对气体传感准确度高，响应准确。但是受制于原理与仪器外形限制，需要有红外激光发射器，红外激光接收器以及光谱处理芯片模组。所以使用该方法成本高、器件体积大，对于工况也有一定要求。传统的一氧化碳气体传感器的存在传感性能低、信号强度低(灵敏度低)、信号响应/恢复速度慢；并且使用耗能高，需要高温200-400摄氏度传感；材料寿命短，高温工况显著降低传感材料寿命以及物理外形固定，基于传统硅片半导体制造技术，外表坚硬，器件无法形变等缺陷，无法满足工业生产的需要。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种快速响应的一氧化碳气体传感器，优化柔性电子印刷工艺，降低传感材料涂层厚度，为器件物理外形提供更多灵活度。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何优化柔性电子印刷工艺，适应器件的物理外形。
为实现上述目的，本发明提供了一种快速响应的一氧化碳气体传感器，包括：底层聚酰亚胺柔性基底、表层聚氨酯涂层、高精度银电极以及表层TrGO传感材料层。
进一步地，所述底层聚酰亚胺柔性基底、表层聚氨酯涂层以及高精度银电极的墨水通过供应商采购。
进一步地，本发明提供了一种快速响应的一氧化碳气体传感器的制备工艺，包括：1)准备聚酰亚胺柔性基底、2)印刷聚氨酯涂层、3)印刷银电极、4)刷TrGO传感材料层。
进一步地，所述步骤1)包括：将聚酰亚胺柔性基底安装在卷对卷打印机滚轮上。
进一步地，所述步骤2)包括：将聚氨酯涂料装入涂料泵中，聚氨酯涂料的稠度为1200-1600cPs，墨水泵流量设定为100微升/分钟，另外设定滚轮速度为60厘米/分钟，并安装挤压夹缝式印刷头；印刷时先开启墨水泵，后启动卷对卷打印机滚轮。
进一步地，所述步骤2)印刷聚氨酯涂层完成后，被滚轴旋转、转移至烘箱内120摄氏度加热15分钟烧结。
进一步地，所述步骤3)包括：取下挤压夹缝式印刷头，换上凸版印刷头，将银墨水装填到板台上，设定滚轮速度为60厘米/分钟，直到银电极刷满柔性基底。
进一步地，所述步骤3)完成后，银电极被滚轴旋转、转移至烘箱内120摄氏度加热30分钟烧结。
进一步地，所述步骤4)包括：重新在卷对卷打印机上换装挤压夹缝式印刷头，将TrGO传感材料分散于乙二醇分散剂中，形成2.5毫克/毫升的墨水，并将墨水装填到墨水泵中，设定墨水泵流量40微升/分钟，设定滚轮速度60厘米/分钟，印刷时先开启墨水泵，再启动卷对卷打印机滚轮。
进一步地，所述步骤4)完成后，被滚轴旋转、转移至卷对卷打印机烘箱内，200摄氏度加热30分钟烧结。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：
1.本发明利用印刷电子器件技术，传感涂层厚度被降到最低，有效地提高了传感器的灵敏度和响应/恢复时间，气体传感器灵敏度可以达到传统一氧化碳气体传感器的1.5倍，响应/恢复时间被缩短为传统气体传感器的20-30％。响应速度是传统气体传感器的3-5倍。并且利用印刷电子器件技术降低了器件材料成本与物理体积，提升了器件在物理冲击(弯曲、拉伸等)下的可靠性，同时能够有效的进行低成本大规模生产。
2.本发明基于柔性电子印刷技术，最大程度优化了印刷工艺和手段，器件外形可变，完全客制化；本发明通过对基底改性、工艺优化等方式，在卷对卷打印机基础上，使用了挤压夹缝式印刷头、凸版印刷头以刮涂印刷头，最大化提升了器件印刷精度，缩小器件大小。由于柔性电子特点，器件非常柔软，对器件安装环境的兼容度提升到了最大；本发明工艺对工作环境、工况要求低，工艺成本低，对工业资源利用效率最大化。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一氧化碳气体传感器的结构示意图；
图2是本发明的一氧化碳气体传感器的挤压式夹缝印刷过程；
图3是本发明的一氧化碳气体传感器的外形示意图；
图4是本发明的一氧化碳气体传感器的阵列结构示意图；
其中：1-底层聚酰亚胺柔性基底；2-表层TrGO传感材料层；3-高精度银电极。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明实施例提供的一种快速响应的一氧化碳气体传感器，其包括底层聚酰亚胺柔性基底1、表层聚氨酯涂层、高精度银电极2以及表层TrGO传感材料层3。底层聚酰亚胺柔性基底1、表层聚氨酯涂层以及高精度银电极3的墨水是采购于目前供应商。
本发明实施例还提供了一种快速响应的一氧化碳气体传感器的制备工艺，包括：准备聚酰亚胺柔性基底、印刷聚氨酯涂层、印刷银电极、刷TrGO传感材料层。先把聚酰亚胺柔性基底安装在卷对卷打印机滚轮上，开始印刷聚氨酯涂层。首先将聚氨酯涂料装入涂料泵中，该涂料稠度为1200-1600cPs，墨水泵流量设定为100微升/分钟，另外设定滚轮速度为60厘米/分钟，并安装挤压夹缝式印刷头，如图2所示。开始印刷时先开启墨水泵，后启动卷对卷打印机滚轮。印刷完成后，银电极被滚轴旋转、转移至烘箱内120摄氏度加热15分钟烧结。
完成聚氨酯涂层印刷后，开始银电极凸版印刷。取下挤压夹缝式印刷头，换上凸版印刷头，用于高精度银电极印刷。我们首先将银墨水装填到板台上，设定滚轮速度为60厘米/分钟，直到银电极刷满柔性基底。印刷完成后，银电极被滚轴旋转、转移至烘箱内120摄氏度加热30分钟烧结。
完成银电极印刷后，重新在卷对卷打印机上换上挤压夹缝式印刷头。将TrGO传感材料分散于乙二醇分散剂中，形成2.5毫克/毫升的墨水，并将墨水装填到墨水泵中，设定墨水泵流量40微升/分钟，设定滚轮速度60厘米/分钟。开始印刷时先开启墨水泵，再启动卷对卷打印机滚轮。印刷完成后，器件被滚轴旋转、转移至卷对卷打印机烘箱内，200摄氏度加热30分钟烧结，以进一步还原氧化石墨烯。制备的成品器件如图3至图4所示。
与现有技术相比，本发明基于柔性电子印刷技术，最大程度优化了印刷工艺和手段，通过对基底改性、工艺优化等方式，在卷对卷打印机基础上，使用了挤压夹缝式印刷头、凸版印刷头以刮涂印刷头，最大化提升了器件印刷精度，缩小器件大小。由于柔性电子特点，器件非常柔软，对器件安装环境的兼容度提升到了最大。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种快速响应的一氧化碳气体传感器，其特征在于，包括：底层聚酰亚胺柔性基底、表层聚氨酯涂层、高精度银电极以及表层TrGO传感材料层。
2.如权利要求1所述的一氧化碳气体传感器，其特征在于，所述底层聚酰亚胺柔性基底、表层聚氨酯涂层以及高精度银电极的墨水通过供应商采购。
3.一种如权利要求1所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，包括：1)准备聚酰亚胺柔性基底、2)印刷聚氨酯涂层、3)印刷银电极、4)刷TrGO传感材料层。
4.如权利要求3所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤1)包括：将聚酰亚胺柔性基底安装在卷对卷打印机滚轮上。
5.如权利要求4所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤2)包括：将聚氨酯涂料装入涂料泵中，聚氨酯涂料的稠度为1200-1600cPs，墨水泵流量设定为100微升/分钟，另外设定滚轮速度为60厘米/分钟，并安装挤压夹缝式印刷头；印刷时先开启墨水泵，后启动卷对卷打印机滚轮。
6.如权利要求5所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤2)印刷聚氨酯涂层完成后，被滚轴旋转、转移至烘箱内120摄氏度加热15分钟烧结。
7.如权利要求6所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤3)包括：取下挤压夹缝式印刷头，换上凸版印刷头，将银墨水装填到板台上，设定滚轮速度为60厘米/分钟，直到银电极刷满柔性基底。
8.如权利要求7所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤3)完成后，银电极被滚轴旋转、转移至烘箱内120摄氏度加热30分钟烧结。
9.如权利要求8所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤4)包括：重新在卷对卷打印机上换装挤压夹缝式印刷头，将TrGO传感材料分散于乙二醇分散剂中，形成2.5毫克/毫升的墨水，并将墨水装填到墨水泵中，设定墨水泵流量40微升/分钟，设定滚轮速度60厘米/分钟，印刷时先开启墨水泵，再启动卷对卷打印机滚轮。
10.如权利要求9所述的一氧化碳气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述步骤4)完成后，被滚轴旋转、转移至卷对卷打印机烘箱内，200摄氏度加热30分钟烧结。
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