本发明专利技术公开了一种聚苯胺/二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器及其制备方法，该气体传感器包括依次设置的陶瓷基体、叉指金电极和气敏薄膜，所述的气体敏感薄膜由聚苯胺/二氧化钛自组装层和聚苯胺层组成，其中聚苯胺/二氧化钛自组装层能极大的增加传感器在室温下对气体的响应灵敏度，加快响应，并提高稳定性，而聚苯胺层能很好的降低元件的阻抗。该气体传感器在室温下对氨气具有很高响应灵敏度，很好的回复性，且响应较快，稳定性好，可广泛应用于工农业生产过程及大气环境中氨气浓度的精确测量与控制。本发明专利技术还提供了制备该气体传感器的方法，该方法工艺简单、成本低、尤其适合于批量生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器领域，具体涉及一种聚苯胺/ 二氧化钛阻抗型薄膜气体传感器及其制备方法。
技术介绍
气体传感器是一类重要的化学传感器，在仓储、工业生产、过程控制、环境监测等方面有着广泛的应用，并在现代科技发展和人们生活中起着日益重要的作用，不断地追求高性能，低成本，小尺寸等成为了传感器行业亟待解决的难题。此外，新材料新技术的引入和创新，使解决这些难题成为可能。 传统的气体传感器敏感材料包括无机半导体材料和有机导电聚合物两大类。无机半导体气敏材料通常需要在高温条件下才能用来检测气体(往往需要把传感器元件加热到几百摄氏度的操作温度下才能有较好的气体敏感性)，但高温检测给实际的操作带来了许多不便，研发高灵敏度又具有室温响应特性的气体传感器显得尤为重要。有机导电聚合物气敏材料因为其长期稳定性较差，响应灵敏度低等缺陷限制了其实际应用，此外，有机导电聚合物由于不溶不熔、难以加工，也限制了其应用领域。随着纳米科技的迅速发展，近年来有机导电聚合物/无机纳米复合气敏材料成为气体传感器研究领域颇受关注的一类材料，其独特的纳米结构带来的大的比表面积有利于气体吸附和扩散，可以使气体传感器加快响应，改善响应回复性，同时有利于其响应灵敏度的提高；而有机导电聚合物和无机半导体两种气敏材料之间往往还具有协同效应，可以显著提高气体传感器的响应灵敏度，并有利于其稳定性的增加，并且能够实现气体的室温检测。常有的有机导电聚合物气敏材料有聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等，无机半导体气敏材料有碳纳米管、二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等，但目前有机导电聚合物/无机纳米复合气敏材料多采用在无机纳米粒子存在的条件下以聚合物单体(如苯胺、吡咯、噻吩)为单体进行聚合反应，分别制得聚苯胺/无机纳米气敏复合材料、聚吡咯/无机纳米气敏复合材料、聚噻吩//无机纳米气敏复合材料。已有文献报道了聚苯胺/ 二氧化钛复合薄膜气体传感器功能材料及其制备方法(H. L. Tai, Y. D. Jiang, G. Z. Xie, J. S. Yu, X. Chen,Sensor Actuat. B-Chem. 125 (2007) 644-650;太惠玲，蒋亚东，谢光忠，杜晓松，陈璇，聚苯胺/ 二氧化钛复合薄膜的制备及其气敏性能，物理化学学报，2007，23(6):883-888)，将空白电极置于二氧化钛纳米胶体和苯胺单体溶液中，引发苯胺单体进行原位溶液聚合制得聚苯胺/ 二氧化钛复合薄膜气敏材料，以该气敏材料作为敏感功能层的气体传感器具有较高的气体检测灵敏度和较快的响应，显示了聚苯胺/ 二氧化钛纳米复合薄膜作为气敏材料的优异性能。但上述方法存在着制备过程难以控制、制备元件一致性差等缺陷，用该方法制备的气敏传感器敏感膜通常较厚(几微米到几百微米)，而且产物中存在大量无法重复利用的导电聚合物残渣，处理困难，对环境造成危害。并且，采用这种方法制得的气体传感器复合薄膜具有无规排列的纳米纤维或纳米线组成，不宜控制敏感膜与传感器基体的接触，稳定性较差。传统的聚苯胺等导电聚合物是不溶不熔的，这对器件成膜等操作造成了极大的困难，相比于盐酸、硫酸、硝酸等其他传统的无机小分子酸或樟脑磺酸等有机小分子酸，用聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺具有很好的水分散性，易于加工操作，并且熔剂为水，更加绿色环保。用溶胶凝胶法制备的二氧化钛纳米粒子同样具有方法简单，粒径可控，易于操作，避免了高温煅烧等过程，同样实现了节能环保。层层静电自组装是一种利用物质间的静电吸引力来制备纳米层次的自组装复合物薄膜，其过程非常简单，容易控制，因为水分散的聚苯胺带负电，而二氧化钛纳米粒子在酸性环境下带正电，所以可方便地用层层静电自组装的方法制备聚苯胺/ 二氧化钛纳米复合气敏薄膜，用该方法制备的导电高分子/无机纳米复合气体传感器，有望实现室温下对于气体的优良气敏响应特性
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种聚苯胺/二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器，该气体传感器在室温下对于待测气体具有较高的响应灵敏度，响应快、回复性好，并且具有较好稳定性。为此，本专利技术采用如下的技术方案 一种聚苯胺/ 二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器，包括依次设置的陶瓷基体、叉指金电极和气敏薄膜，在所述的叉指金电极上连接有引线，在所述的陶瓷基体表面沉积有叉指金电极，在所述陶瓷基体和叉指金电极表面沉积有气敏薄膜，所述的气敏薄膜由聚苯胺/二氧化钛层层静电自组装复合薄膜及其上覆盖的聚苯胺层组成。作为优选，所述的陶瓷基体表面沉积的叉指金电极为5 16对，叉指金电极2的叉指宽度为20 200 μ m，叉指间隙为20 200 μ m ; 作为优选，所述的气敏薄膜的厚度为100 600 nm ； 作为优选，所述的聚苯胺/二氧化钛层层静电自组装复合薄膜是通过层层静电自组装二氧化钛纳米粒子和聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺而制得的； 作为优选，所述的聚苯胺层是聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺； 作为优选，所述的二氧化钛纳米粒子的平均粒径为5 50 nm，聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺的平均粒径为2 10 nm ； 本专利技术的气体传感器的气敏薄膜由聚苯胺/二氧化钛层层静电自组装复合薄膜及其上覆盖的聚苯胺层组成，聚苯胺和二氧化钛两种半导体起到了很好的协同效应，大大提高了传感器的性能；复合薄膜中二氧化钛纳米粒子的引入可提高薄膜表面粗糙度，增大比表面积，有利于响应灵敏度和响应速度的提高，而P型半导体聚苯胺与η型半导体二氧化钛之间存在的ρ/η结，将促进气敏薄膜的电荷迁移，有利于响应灵敏度的增加。并且，二氧化钛纳米粒子实现了复合薄膜中层与层之间有序的排列，使不同类型半导体之间的符合作用更直接，而且可以调节自组装薄膜的层数，直接可以实现对薄膜厚度的调控，即复合效应强弱的调控，更方便器件性能的调控。通过静电进行自组装的薄膜具有更紧密的结合力，使制得的传感器敏感膜具有更好的稳定性。聚苯胺层具有良好的导电性，降低气体传感器的阻抗，避免因为引入二氧化钛使元件的导电性降低，从而难以测试其对于检测气体的室温响应特性，聚苯胺层可以起到很好的降低传感器敏感膜阻抗的作用，并且能提高吸附气体的性能。本专利技术的第二个目的是提供一种聚苯胺/ 二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器的方法，包括如下步骤 1)在陶瓷基体表面通过蒸发或光刻的方法沉积叉指金电极，制得具有叉指金电极的陶瓷基体； 2)处理具有叉指金电极的陶瓷基体，制得修饰过的具有叉指金电极的陶瓷基体； 3)在修饰过的具有叉指金电极的陶瓷基体上沉积聚苯胺/二氧化钛层层静电自组装复合薄膜； 4)在聚苯胺/二氧化钛层层静电自组装复合薄膜上沉积聚苯胺层，制得聚苯胺/ 二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器。上述步骤均可在室温下进行。具体地， 所述的步骤2)包括如下步骤 ①用Piranha溶液浸泡具有叉指金电极的陶瓷基体2(Γ40分钟，用去离子水淋洗I 2分钟并用氮气或者氩气吹干，这样使得具有叉指金电极的陶瓷基体带上负电荷基团，并洗去了其他多余的杂质； ②然后将吹干的陶瓷基体浸入浓度为I 3%wt的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液中5 10分钟，取出用去离子水淋洗I 2分钟并用氮气或氩气吹干； ③将步骤②吹干的陶瓷基体浸入浓度为I 3%wt的聚苯乙烯磺酸钠中5 10分本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚苯胺/二氧化钛纳米复合阻抗型薄膜气体传感器，包括依次设置的陶瓷基体(1)、叉指金电极(2)和气敏薄膜(3)，在所述的叉指金电极上连接有引线(4)，其特征在于：在所述的陶瓷基体表面沉积有叉指金电极(2)，在所述陶瓷基体(1)和叉指金电极(2)表面沉积有气敏薄膜(3)，所述的气敏薄膜(3)由聚苯胺/二氧化钛层层静电自组装复合薄膜(5)及其上覆盖的聚苯胺层(6)组成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李扬，杨慕杰，林乾乾，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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