[发明专利]一种气体传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种气体传感器及其制备方法。本发明气体传感器以柔性材料为衬底、纳米碳材料为气敏材料、微阵列电极为电极层；通过刮涂气敏材料水性分散液实现了气体传感器中气敏材料层制备工艺的简化、快速大面积制备，同时避免了现有技术中喷涂、旋涂等工艺造成的材料浪费，降低了成本；通过喷墨打印制备微阵列电极可实现电极图案的任意定制，从而增大传感器的电流响应，使传感器具有较高的灵敏度，与现有技术中光刻、蒸镀法等电极制备工艺相比，具有简单易操作、成本低、利于大规模制备的特点。

技术领域

本发明涉及气体传感器制造技术领域，具体地，其涉及纳米碳材料薄膜/微阵列金属电极结构的气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器是用于监测气体的成分和动态特征等，并将气体的成分和动态特征等信息转化为电信号的电子器件。在环境或室内气体监测中，相对于传统的气体检测手段，比如气相色谱法、电化学法、红外光谱法等，气体传感器具有可实时检测与管理的特点。

现有技术中制约气体传感器发展的主要原因包括：检测灵敏度低、气体选择性差、功耗大、制备工艺复杂、成本高。其中开发具有优异的气体感应特性的气敏材料是该领域研究热点。传统的气敏材料以二氧化锡、二氧化锌为代表，其制备方便、来源广泛、成本低廉，但其稳定性较差、湿度敏感性强，气体选择性较差，且基于金属氧化物的气体传感器需要在高温下工作，使整个功耗增加，同时不能满足室温气体监测的需求。近年来，研究者发现石墨烯、碳纳米管、C₆₀、多孔碳等纳米碳材料具有室温导电性和较快的载流子迁移率的碳材料可用作气体传感器的气敏材料。

纳米碳材料可分为金属性和半导体性。金属性纳米碳材料具有优良的导电性能，导电率比铜高2～3个数量级，有望应用于高导电性的透明电极或集成电路用纳米级金属导线、太阳能电池、触摸屏、电子纸等方面。纳米碳材料具有优异的电子迁移率，在高灵敏度化学或生物传感器、高性能纳米电子器件、场效应晶体管及纳米集成电路制作等领域有良好的应用前景。鉴于纳米碳材料具有优异的力学性能、手性依赖的导电性能，优异的柔韧性及低密度性，当纳米碳材料最外层碳原子与气体分子结合时，纳米碳材料的电性能就会发生变化，因此其可作为气体敏感器件的气敏材料。研究发现，纳米碳材料对NH₃、NO、H₂、CO、O₂、SO₂和H₂S等分子结构富电子的气体具有较高的检测灵敏度。

中国专利CN104677879B中记载了碳纳米管透明气体传感器，其以半导体性单壁碳纳米管为气体感应材料，利用浮动催化剂化学气相沉积法制备并收集半导体性单壁碳纳米管薄膜，经热压转移或喷涂工艺制备担载于柔性透明基体上得到半导体性单壁碳纳米管柔性、透明薄膜，再利用银胶或电镀方式连接导线与外部的输出设备相连接，完成气体传感器的组装，实现了碳纳米管气体传感器的柔性制备、小型化、便携、高灵敏度、低功耗特性，但其通过热压转移或喷涂方法转移半导体性碳纳米管至柔性基底过程中，会造成碳纳米管的浪费，导致传感器总成本的上升，同时，所述技术方案中，通过将银胶滴在碳纳米管薄膜上作为电极或者通过电镀法制备电极，与微阵列化电极相比，其传感器的灵敏度低，同时，大面积电极造成电极材料的浪费，使整个传感器的成本提高。

微阵列传感器具有较高的灵敏度、信噪比和响应时间低等优点，现有技术中微阵列传感器电极的制备多采用光刻、旋涂等方法，例如中国专利CN104655698B记载了一种用于双氧水溶液浓度的石墨烯/氧化石墨烯微阵列电极及其制备方法，其通过光刻技术在ITO玻璃上构建阵列图案，得到具有有序排列的图案的光刻模板，然后通过旋涂法在此模板上沉积氧化石墨烯水溶液，得到石墨烯/氧化石墨烯微阵列电极，然而光刻模板的工艺复杂，旋涂法沉积电极容易造成溶液浪费，提高了电极的制备成本，另外，由于微阵列图案强烈依赖于模板制备工艺，可能对传感器灵敏度造成影响。