一种柔性气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性气体传感器，包括依次设置的柔性衬底、电极和气体敏感层，所述电极与气体敏感层形成导电通路，所述电极上设有引线，所述引线与外部电路连接。本发明专利技术所制备的柔性气体传感器其整体结构均能在比较高的温度(200～350℃)下运行，解决了柔性传感器难以在高温环境检测有毒气体的难题，而且本发明专利技术柔性气体传感器的电极以及柔性衬底均采用柔韧性良好的材料，使得本发明专利技术柔性气体传感器在弯曲过程中仍能正常运行，气体敏感层使用的金属半导体氧化物，通过接触CO改变自身阻值，以实现气体检测的快速响应与恢复。同时该柔性传感器均是通过简单的工艺制备而成，成本低，可以批量成产。以批量成产。以批量成产。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性气体传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器
，具体为一种柔性气体传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统硅质硬基底传感器因为它的高灵敏度与低接触阻值而大受欢迎。而随着人们对传感器性能要求的不断提高，硬质基底气体传感器的高制造成本、高输入功率等缺点逐渐让人们找寻可替代的产品。另一方面，现在的电子设备越来越向柔性可穿戴的方向发展，柔性电子设备的使用己经普及到生活的方方面面，随着人们保健意识的不断提高，对构建具有个性化诊断和环境监测功能的柔性智能传感器网络有了迫切的需求。柔性传感器因具有良好的柔韧性、延展性、机械和热力学特性，以及轻便、制备成本低、易实现批量化生产等特性，在电子皮肤、航天航空、医疗保健、运动器材和环境监测等领域受到广泛应用。
[0003]在柔性气体传感器领域，制备柔性气体传感器的核心在于将气敏层及电极材料制备于柔性基底上，而其中柔性气体传感器分为三部分：柔性基材、电极和敏感材料，这三个部分直接关系到整个传感器的灵敏度、响应恢复时间以及柔性的特性。但是目前的有毒气体检测多为刚性传感器，有毒气体多出现在复杂环境中。所以从报道的柔性气体传感器来看，大多数柔性气体传感器的成功取决于其低温工作环境下，但这并不适用于实际情况。这些传感器无法替代大多数传统的刚性传感器，其中许多传感器需要在高温环境中工作。因此，高温领域柔性气体传感器的研究显得尤为重要。因此我们需要制备出在高温环境下仍然对有毒气体检测正常工作的柔性气体传感器。因此其不仅需要良好的灵敏度，还需要解决在高温环境下难以运行的问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有问题，本专利技术提供一种柔性气体传感器及其制备方法，本专利技术所制备的柔性气体传感器其整体结构均能在比较高的温度(200～350℃)下运行，解决了柔性传感器难以在高温环境检测有毒气体的难题，而且本专利技术柔性气体传感器的电极以及柔性衬底均采用柔韧性良好的材料，使得本专利技术柔性气体传感器在弯曲过程中仍能正常运行，气体敏感层使用的金属半导体氧化物，通过接触CO改变自身阻值，以实现气体检测的快速响应与恢复，同时该柔性传感器均是通过简单的工艺制备而成，成本低，可以批量成产。
[0005]本专利技术为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
[0006]一种柔性气体传感器，包括依次设置的柔性衬底、电极和气体敏感层，所述电极与气体敏感层形成导电通路，所述电极上设有引线，所述引线与外部电路连接。
[0007]所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷中的一种。
[0008]所述电极为叉指电极。
[0009]气体敏感层由纳米半导体材料制成。
[0010]所述纳米半导体材料为金属氧化物或聚合物。
[0011]所述纳米半导体材料为纳米铁酸铋。
[0012]所述柔性衬底的长度为5厘米，宽度为2厘米，厚度为0.2毫米；所述叉指电极的厚度为0.15毫米，叉指宽度为2毫米，相邻叉指之间的间隙距离为2毫米。
[0013]一种柔性气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)制备柔性衬底，并用去离子水超声清洗20～40分钟；
[0015]将厚度为0.2毫米的柔性衬底裁剪成长度为5厘米、宽度为2厘米的尺寸，使用去离子水超声清洗20～40分钟；
[0016](2)制备电极，并将电极置于柔性衬底上；
[0017]优选的，所述电极为叉指电极，将铜箔通过激光切割为厚度为0.15毫米、叉指宽度为2毫米、相邻叉指之间的间隙距离为2毫米的叉指电极，并将叉指电极粘贴于柔性衬底上；铜箔可以为黏性铜箔，可以直接粘贴于柔性衬底上；
[0018](3)将纳米半导体材料分散于有机溶剂中，滴涂或旋涂在电极及柔性衬底上，烘干制得气体敏感层；具体包括以下步骤，
[0019]制备纳米铁酸铋粉末：硝酸铋加入去离子水中，制备硝酸铋溶液，硝酸铁加入去离子水中，制备硝酸铁溶液，将硝酸铁溶液加入到硝酸铋溶液中，得到混合溶液A，搅拌30分钟～2小时，优选为剧烈搅拌1小时，加入低浓度的硝酸，使混合溶液A的PH值为1.8～2.5，优选为PH值为2；酒石酸加入去离子水中，制备酒石酸将溶液，将酒石酸将溶液加入混合溶液A中，搅拌30分钟～2小时，优选为机械搅拌1h，得到混合溶液B，将混合溶液B在90～110℃下保持8～14小时，优选为，在100℃烘箱中保持12小时，得到铁酸铋凝胶，将铁酸铋凝胶在550～650℃下退火1～3小时，优选的，在600℃高温炉中退火2小时，制得纳米铁酸铋粉末；所述硝酸铋、硝酸铁、酒石酸的摩尔比为1～5：1～5：8～12；优选的，所述硝酸铋、硝酸铁、酒石酸的摩尔比为3：3：10；
[0020]制备气体敏感层：将纳米铁酸铋粉末分散于有机溶剂中，搅拌均匀后，滴涂或旋涂在电极及柔性衬底上，在80～120℃温度下烘干10～30分钟，优选为，在100℃温度下烘干20分钟，即在电极及柔性衬底上制得气体敏感层；
[0021]所述有机溶剂为异丙醇、苯乙烯、丙酮中的一种。
[0022](4)在电极上通过导电银浆连接引线，引线与外部电路连接。
[0023]本专利技术的工作原理：气体敏感层用于传感器在工作时与气体发生反应，半导体气体传感器是指以金属氧化物半导体和有机半导体材料作为气敏材料的气体传感器，半导体材料吸附被测气体后与被测气体相互作用，材料电阻值会产生变化，传感器输出也会产生相应变化，以此来判断被测气体的种类和浓度。而电极则用于将转化后的电信号并传输至后续的处理电路。本专利技术的先进性主要表现在：一是整体结构均能在高温环境下正常运行，并且对不同CO浓度变化快速响应。二是采用叉指电极结构，可以保证电极的稳定性，可以将电信号稳定输出。
[0024]气体敏感层的气敏原理如图2、图3所示，其导电性是由被吸附气体分子和负责传感的材料之间的电子交换来调节的，吸附在气敏材料中的空气中的O2被电离成O
‑
，由于电子的转移，O2在表面吸附后产生空穴；CO是一种还原剂，当引入系统时，它是一种施主分子，现在，电离氧化物种与CO的相互作用释放二氧化碳并产生电子，该电子进一步与空穴相互作用，并产生复合作用。因此，会出现孔洞缺陷，从而增加阻力。当待检测气体消失后，气体的
敏感材料就会恢复到初始状态下的阻值，即恢复原来的导电性能。
[0025]如图1所示，从外界电路的正极到负极之间，存在着叉指电极与气体敏感层的导通电路，其中气体敏感层的电阻值会根据CO等有毒气体浓度的变化而变化，从而改变气体敏感层的电阻值，进而改变整个电路的电流。
[0026]对比现有技术，本专利技术有益效果在于：
[0027]1、本专利技术所制备的柔性气体传感器其整体结构均能在比较高的温度(200～350℃)下运行，解决了柔性传感器难以在高温环境检测有毒气体的难题，相较于其它在室温条件下满足要求的柔性传感器而言，更加适用于复杂环境的应用，也同样可以实现有毒气体检测的快速响应与恢复。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性气体传感器，其特征在于，包括依次设置的柔性衬底、电极和气体敏感层，所述电极与气体敏感层形成导电通路，所述电极上设有引线，所述引线与外部电路连接。2.根据权1利要求所述的一种柔性气体传感器，其特征在于，所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷中的一种。3.根据权1利要求所述的一种柔性气体传感器，其特征在于，所述电极为叉指电极。4.根据权1利要求所述的一种柔性气体传感器，其特征在于，所述气体敏感层由纳米半导体材料制成。5.根据权4利要求所述的一种柔性气体传感器，其特征在于，所述纳米半导体材料为金属氧化物或聚合物。6.根据权1利要求所述的一种柔性气体传感器，其特征在于，所述柔性衬底的长度为5厘米，宽度为2厘米，厚度为0.2毫米；所述叉指电极的厚度为0.15毫米，叉指宽度为2毫米，相邻叉指之间的间隙距离为2毫米。7.一种柔性气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备柔性衬底，并用去离子水超声清洗20～40分钟；(2)制备电极，并将电极置于柔性衬底上；(3)将纳米半导体材料分散于有机溶剂中，滴涂或旋涂在电极及柔性衬底上，烘干制得气体敏感层；(4)在电极上通过导电银浆连接引线，引线与外部电路连接。8.根据权利要求7所述的一种柔性气体传感器的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俐，付林正，赵维玮，陈志文，杨全岭，刘生发，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：