CN115980162A - 一种甲烷传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲烷传感器，包括基底、导电连接电极和传感电极，导电连接电极设于基底上，传感电极覆盖在导电连接极上，传感电极为一层导电聚合物薄膜，导电连接极除传感区的部分涂覆有绝缘层。传感电极采用聚（3，4‑乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种，其以液体或者浆料的形式通过丝网印刷、打印方法、或者涂布的方法制造成膜。本发明采用上述的一种甲烷传感器，传感器小型、稳定，实现了灵敏、快速检测甲烷，解决了现有技术中甲烷传感器消耗功率高、工作温度高、设备的外壳昂贵且笨重、价格昂贵的问题。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷气体检测技术领域，特别是涉及一种甲烷传感器。
背景技术
为了实现能源和环境的可持续发展，天然气的生产和消费都出现了快速增长。据预测，天然气在未来将成为第二大最广泛使用的能源。甲烷是天然气的主要成分。作为发电和供暖的来源，它是全球变暖和气候变化的一个重要因素。与煤相比，甲烷在燃烧过程中的排放和生产成本相对较低。在甲烷的应用中存在着一些安全问题。甲烷无色无味，在空气中的浓度约为5%至15%，具有爆炸性。由于管道老化、腐蚀、缺陷等因素，经常发生天然气管道泄漏事故，在煤矿开采作业和石油分馏厂也可能发生甲烷泄漏。甲烷泄漏可能威胁到人们的生命和财产安全。为了快速、可靠地识别甲烷泄漏，开发智能化、实时检测、高灵敏度的甲烷传感器是安全应用甲烷的关键。
而现有技术中已有多种甲烷传感器，根据不同的原理甲烷传感器可分为光学传感器、电容式传感器、量热式传感器、共振式传感器、声学传感器、热释电传感器、半导体金属氧化物传感器和电化学传感器，但现有的传感器均存在一些不足之处，例如消耗功率高、工作温度高、设备的外壳昂贵且笨重、价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种甲烷传感器，解决了上述消耗功率高、工作温度高、设备的外壳昂贵且笨重、价格昂贵的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种甲烷传感器，一种甲烷传感器，其特征在于：包括基底、导电连接电极和传感电极，导电连接电极设于基底上，传感电极覆盖在导电连接极上，传感电极为一层导电聚合物薄膜，导电连接极除传感区的部分涂覆有绝缘层。
优选的，导电聚合物为导电聚合物为聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT：PSS）、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种，其以液体或者浆料的形式通过丝网印刷、打印方法制造、或者涂布的方法制造成膜。
再优选的，导电聚合物为PEDOT：PSS。
优选的，导电连接电极材料为金复合浆料、铂复合浆料、碳复合浆料中的一种，其通过丝网印刷或者打印方法制造。
优选的，基底的材料为柔性材料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚亚酰胺、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯和苯乙烯的三元共聚物中的至少一种，或硬质材料硅、玻璃、陶瓷中的一种。
优选的，导电连接电极为电化学电极，包括2个电极或3个电极，2个电极时为工作电极和对电极，3个电极时为工作电极、参比电极和对电极。
优选的，导电聚合物溶液浓度为1~100%，体积为0.1~10μL。
再优选的，PEDOT:PSS溶液的浓度为100%，PEDOT:PSS溶液的体积为0.7μL。
一种甲烷传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备基底
将基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为基底；
（2）制造导电连接电极
用丝网印刷机或打印机将电极材料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极，然后将其放入烘箱干燥，导电连接电极作为连接传感电极的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板；
（3）制造绝缘层
用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极上制造绝缘层，露出连接外部接口部分和传感电极的传感区域，然后将其放入烤箱干燥；
（4）制作传感电极
将导电聚合物溶液滴在传感区域中传感电极的连接处，将其放入烤箱干燥后成膜，即传感电极，取出后放在冰箱里保存。
优选的，烤箱干燥的温度范围为30~100℃，干燥的时间为5~100min。
优选的，冰箱储存的温度为0~8℃。
本发明的有益效果：
（1）通过在柔性基底上涂覆电连接电极、PEDOT:PSS传感电极、绝缘层制得甲烷传感器，传感器小型、稳定，实现了灵敏、快速检测甲烷，并且较小的体积，使甲烷传感器具有较小的外壳即可，减轻了传感器的重量，并降低了成本。
（2）使用PEDOT:PSS聚合物作为传感电极，PEDOT:PSS溶液成膜后的份子堆积有序形成传导带，传导带具有导电层和电阻层，空气中的氧气被吸附在PEDOT:PSS上并转化为化学吸附的氧气，在甲烷的存在下，甲烷分子与化学吸附的氧反应，产生CO2、H2O2和电子，从而使电子进入传导带，导致导电层厚度增加，电阻层厚度减小，使PEDOT:PSS的电阻下降，将其接入电压后因其电阻的变化便会产生变化电流响应，因此便可根据相应的变化电流检测出空气中含有甲烷，使制得的甲烷传感器具有高灵活性、低成本、反应快速、高灵敏度的特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明甲烷传感器的示意图；
图2是本发明甲烷传感器的横截面示意图；
图3是本发明不同浓度的PEDOT:PSS和不同体积的PEDOT:PSS甲烷传感器电流响应的示意图；
图4是本发明不同浓度的PEDOT:PSS和不同体积的PEDOT:PSS甲烷传感器响应时间的示意图；
图5是本发明不同浓度的PEDOT:PSS和不同体积的PEDOT:PSS甲烷传感器恢复时间的示意图；
图6是本发明甲烷传感器在不同浓度的甲烷中的电流曲线示意图；
图7是本发明甲烷传感器在不同浓度的甲烷中绘制的校准曲线示意图；
图8是本发明甲烷传感器的灵活性示意图；
图9是本发明甲烷传感器的可重复性实验示意图；
图10是温度对甲烷传感器的影响示意图；
图11是不同批次制备的甲烷传感器的电流误差示意图；
图12是检测恒定浓度甲烷的单个传感器的电流信号的示意图；
图13是本发明甲烷传感器的老化效果示意图。
附图标记：
1、基底；2、工作电极；3、参比电极；4、对电极；5、导电连接电极；6、绝缘层；7、传感电极。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步描述。
实施例1
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极7和恒电位仪的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为50%体积为0.4μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例2
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极7的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为50%体积为0.5μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例3
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极7和恒电位仪的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为50%体积为0.6μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例4
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极7和恒电位仪的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为50%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例5
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极7和恒电位仪的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为50%体积为0.8μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例6
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极7和恒电位仪的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为10%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例7
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为20%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例8
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为40%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例9
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为60%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例10
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极5上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为80%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极7，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
实施例11
一种甲烷传感器，通过以下步骤制作，（1）制备基底：将柔性PET基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为柔性基底1。
（2）制造导电连接电极：用用丝网印刷机或打印机将导电碳浆料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极5，电连接电极5包括工作电极2、参比电极3和对电极4，电连接电极5作为连接PEDOT:PSS传感电极5的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（3）制造绝缘层：用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极上制造绝缘层6，露出连接外部接口部分和PEDOT:PSS传感电极7的传感区域，然后将其放入烤箱，在温度为60℃的条件下干燥60min。
（4）制作传感电极：将浓度为100%体积为0.7μL的PEDOT: PSS溶液滴在传感区域中的PEDOT:PSS传感电极7的连接处，将其放入烤箱干燥后，成膜即PEDOT:PSS传感电极，取出后放在冰箱里，在温度为4℃的条件下保存。
使用实施例1-11制得的甲烷传感器检测甲烷。
从气瓶中获得纯甲烷气体，通过混合纯甲烷和氮气制得甲烷浓度为20%的甲烷混合气体，将甲烷混合气体储存在一个密闭的盒子中，将制作好的甲烷传感器连接到恒电位仪和拥有相关软件的计算机上，测试采用恒电位模式，电压设定为1V，将连接好的甲烷传感器迅速放入在储存有甲烷混合气体的密闭盒子里，使PEDOT:PSS暴露在甲烷中，然后对该传感器进行5秒钟的测试，并记录变化的电流以检测PEDOT.PSS的电阻。在测试结束时，将传感器从盒子里取出，并关闭盒子。
检测结果分析
图2为不同浓度的PEDOT:PSS和不同体积的PEDOT:PSS的甲烷传感器的电流响应示意图，其中图3中的a为实施例1-5制作的甲烷传感器的电流响应示意图，如图3中的a所示，实施例1-5的甲烷传感器均检测到密闭盒子中的甲烷气体，随着PEDOT:PSS溶液体积从0.4-0.7μL，PEDOT:PSS薄膜的面积和厚度也逐渐增加，电流响应也越大，即甲烷传感器的灵敏度也逐渐增大。
当溶液体积为0.7μL时，甲烷传感器显示出的灵敏度最高，电流响应为30nA。当溶液体积达到0.8μL时，其电流响应低于溶液体积为0.7μL时的电流响应。这是由于表面张力的作用和液体本身性质的原因，溶液体积为0.8μL时与溶液体积为0.7μL时的PEDOT:PSS薄膜相比面积受限制，所以溶液体积为0.8μL时的灵敏度小于溶液体积为0.7μL时的灵敏度。
图3中的b为实施例6-11制作的甲烷传感器的电流响应示意图，PEDOT:PSS溶液的体积为0.7μL，随着PEDOT:PSS溶液浓度的增加，其电流响应也越大，浓度为100%时，甲烷传感器显示出的灵敏度最高，电流响应为50nA。
结果表明，PEDOT:PSS溶液的浓度为100%体积为0.7μL时，PEDOT: PSS甲烷传感器具有最好的灵敏度。即PEDOT:PSS薄膜厚度越厚，捕获的甲烷分子越多，从而灵敏度越高。
图4是本发明不同浓度的PEDOT:PSS和不同体积的PEDOT:PSS甲烷传感器响应时间的示意图，其中图4中的a为实施例1-5的甲烷传感器的响应时间示意图，如图4中的a所示，甲烷传感器的响应时间均差别不大，即PEDOT:PSS溶液的浓度对响应时间的影响不大。图4中的b为实施例6-11的甲烷传感器的响应时间示意图，如图4中的b所示，当PEDOT:PSS溶液的体积由0.4μL变为0.5μL时，其响应时间的变化较大，在0.5-0.8μL之间其响应时间的变化均不大，因此，PEDOT:PSS溶液体积较小时会对响应时间产生影响，PEDOT:PSS溶液体积较大时，对响应时间的影响不大。
将甲烷传感器从密闭盒子中取出，置于环境空气中或氮气环境中，甲烷传感器不在捕获甲烷，从而不再有电子产生，甲烷传感器的电阻恢复。
图5是本发明不同浓度的PEDOT:PSS和不同体积的PEDOT:PSS甲烷传感器恢复时间的示意图，图5中的a为实施例1-5的甲烷传感器的恢复时间示意图，如图5中的a所示，随着浓度的增加，其恢复时间越长，图5中的b为实施例6-11的甲烷传感器的恢复时间示意图，如图5中的b所示，随着体积的增加其恢复时间也是逐步增加的，在溶液体积为0.8 μL时的恢复时间略小于溶液体积为0.7μL时的恢复时间。
由此可知，PEDOT:PSS膜越厚其恢复时间越长，原因时，膜的厚度越厚，甲烷份子进入到膜内越深，并且捕获的甲烷份子也越多，从而使甲烷份子从PEDOT:PSS膜中分离出来需要的时间也越长。
选用实施例11制得的甲烷传感器，研究其检测甲烷的能力。将传感器依次放在装有2×105 ppm至1×106 ppm不同浓度的甲烷的盒子里，用电化学工作站记录电流时间曲线。
图6为本发明甲烷传感器在不同浓度的甲烷中的电流曲线，甲烷传感器显示了12秒的快速响应时间，以及5秒的恢复时间。
图7是本发明甲烷传感器在不同浓度的甲烷中绘制的校准曲线示意图，如图7所示，甲烷传感器显示了0.5pA/ppm的高灵敏度，并获得了0至0.8x106 ppm的宽检测范围。经计算，检测极限为600ppm，远远高于甲烷的最低爆炸浓度。因此，本发明制得的甲烷传感器具有较高的灵敏度。
该装置的灵活性对于整合到应用中至关重要，为了分析PEDOT:PSS甲烷传感器的灵活性，进行了弯曲试验。将甲烷传感器在不同的弯曲次数和不同的弯曲角度下测试被弯曲检测器电阻和相对电阻率的变化。
图8是本发明甲烷传感器的灵活性示意图，其中，图8中的a为不同弯曲次数下甲烷传感器的电阻大小的示意图，如图8中的a所示，传感器在多次弯曲后仍然保持着高度的稳定性。图8中的b为不同弯曲度下甲烷传感器的相对电阻率大小的示意图，如图8中的b所示，当从30度弯曲到90度时，它的电阻变化不明显，这证明了该传感器具有很好的灵活性，可以很容易地集成。
图9是本发明甲烷传感器的可重复性实验示意图，如图9所示，为了评估传感器的可重复性，一个传感器连续测试了60次甲烷，结果显示了良好的可重复性。
图10是温度对甲烷传感器的影响示意图，如图10所示，当温度达到70℃时，电阻下降了约14%。
图11是不同批次制备的甲烷传感器的电流误差示意图，如图11所示，图11显示了不同批次制备的传感器的误差为16%，这些可能是由几个因素造成的，如丝网印刷的不均匀性、PEDOT:PSS手工滴落的误差、制备过程中的温度和湿度等等。同一批次的错误可能是由电化学工作站的错误、丝网印刷的不均匀性、温度和湿度的影响、传感器在甲烷容器中的位置、以及传感器和仪器之间的接触不良所引起的。这些误差就可以通过严格控制制备条件和工业化过程来解决了。
图12是检测恒定浓度甲烷的单个传感器的电流信号的示意图，如图12所示，电流在4h内没有明显变化（4%），表明该传感器具有良好的稳定性。
为了验证传感器的老化效果，图13是本发明甲烷传感器的老化效果示意图，如图13所示，在20℃和80℃下存放4天，传感器的相对电阻变化小于7%，表明在温度低于80℃的情况下，几天的老化效果很小。
综上，本发明的一种甲烷传感器，具有高灵活性、低成本、反应快速、高灵敏度的特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种甲烷传感器，其特征在于：包括基底、导电连接电极和传感电极，导电连接电极设于基底上，传感电极覆盖在导电连接极上，传感电极为一层导电聚合物薄膜，导电连接极除传感区的部分涂覆有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的一种甲烷传感器，其特征在于：导电聚合物为聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种，其以液体或者浆料的形式通过丝网印刷、打印方法、或者涂布的方法制造成膜。
3.根据权利要求1所述的一种甲烷传感器，其特征在于：导电连接电极材料为金复合浆料、铂复合浆料、碳复合浆料中的一种，其通过丝网印刷或者打印方法制造。
4.根据权利要求1所述的一种甲烷传感器，其特征在于：基底的材料为柔性材料聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚亚酰胺、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯和苯乙烯的三元共聚物中的至少一种，或硬质材料硅、玻璃、陶瓷中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种甲烷传感器，其特征在于：导电连接电极为电化学电极，包括2个电极或3个电极，2个电极时为工作电极和对电极，3个电极时为工作电极、参比电极和对电极。
6.根据权利要求2所述的一种甲烷传感器，其特征在于：导电聚合物溶液其浓度为1~100%，体积为0.1~10μL。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的一种甲烷传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备基底
将基片清洗干净，然后切成1cm×5cm的均匀小块，作为基底；
（2）制造导电连接电极
用丝网印刷机或打印机将电极材料在基底上打印或丝网印刷形成导电连接电极，然后将其放入烘箱干燥，导电连接电极作为连接传感电极的导线，并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板并进一步通过接口连接检测仪器或者电路板；
（3）制造绝缘层
用丝网印刷机或者打印机在导电连接电极上制造绝缘层，露出连接外部接口部分和传感电极的传感区域，然后将其放入烤箱干燥；
（4）制作传感电极
将导电聚合物溶液滴在传感区域中传感电极的连接处，将其放入烤箱干燥后成膜，即传感电极，取出后放在冰箱里保存。
8.根据权利要求7所述的一种甲烷传感器的制备方法，其特征在于：烤箱干燥的温度范围为30~100℃，干燥的时间为5~100min。
9.根据权利要求7所述的一种甲烷传感器的制备方法，其特征在于：冰箱储存的温度为0~8℃。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10212570A1 (de) * | 2002-03-12 | 2003-10-02 | Bst Bio Sensor Tech Gmbh | Amperometrischer Dickschicht-Biosensor zur Bestimmung der Wasserstoffperoxid-Konzentration in einer Lösung und Verfahren zur Herstellung des Sensors |
| CN109470752A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-03-15 | 宁波大学 | 一种pedot:pss基柔性氨气传感器的制备方法 |
| US20200300802A1 (en) * | 2019-03-19 | 2020-09-24 | Janak HANDA | Methane sensor and method of making a methane sensor |
| CN111912883A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-11-10 | 江西科技师范大学 | 一种用于检测气相双氧水的pedot：pss可视化化敏传感器 |
| CN112697864A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-23 | 浙江大学 | 一种集成四电极气体传感器及其制备方法与应用 |
| CN113701929A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-26 | 湖南大学 | 一种基于SBCs-GaN micro-LED的柔性压力可视化传感器及其制备方法 |
| CN114324495A (zh) * | 2021-12-08 | 2022-04-12 | 复旦大学 | 用于甲烷检测的纳米传感材料及其制备方法、甲烷传感器 |
-
2023
- 2023-03-22 CN CN202310280278.8A patent/CN115980162B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10212570A1 (de) * | 2002-03-12 | 2003-10-02 | Bst Bio Sensor Tech Gmbh | Amperometrischer Dickschicht-Biosensor zur Bestimmung der Wasserstoffperoxid-Konzentration in einer Lösung und Verfahren zur Herstellung des Sensors |
| CN109470752A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-03-15 | 宁波大学 | 一种pedot:pss基柔性氨气传感器的制备方法 |
| US20200300802A1 (en) * | 2019-03-19 | 2020-09-24 | Janak HANDA | Methane sensor and method of making a methane sensor |
| CN111912883A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-11-10 | 江西科技师范大学 | 一种用于检测气相双氧水的pedot：pss可视化化敏传感器 |
| CN112697864A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-23 | 浙江大学 | 一种集成四电极气体传感器及其制备方法与应用 |
| CN113701929A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-26 | 湖南大学 | 一种基于SBCs-GaN micro-LED的柔性压力可视化传感器及其制备方法 |
| CN114324495A (zh) * | 2021-12-08 | 2022-04-12 | 复旦大学 | 用于甲烷检测的纳米传感材料及其制备方法、甲烷传感器 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| APSAR PASHA等: "Highly sensitive ethylene glycol-doped PEDOT– PSS organic thin films for LPG sensing", RSC ADV, vol. 8, pages 18074 - 18083 * |
| SYED KHASIM等: "Design and development of highly sensitive PEDOT-PSS/AuNP hybrid nanocomposite-based sensor towards room temperature detection of greenhouse methane gas at ppb level", RSC ADV, vol. 11, pages 15017 - 15029 * |
| ZUQUAN WU等: "Room Temperature Methane Sensor Based on Graphene Nanosheets/Polyaniline Nanocomposite Thin Film", IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 13, no. 2, pages 777 - 782, XP011487797, DOI: 10.1109/JSEN.2012.2227597 * |
| 石宇等: "聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸及其复合材料气敏性能研究进展", 高分子材料科学与工程, vol. 38, no. 9, pages 152 - 158 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115980162B (zh) | 2023-06-13 |
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