基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于敏感電子學和柔性電子技術領域，具體涉及一種基于三維網絡敏感薄膜的柔性氣體傳感器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]柔性電子技術以其獨特的柔性、延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫療和國防等領域具有廣泛應用前景。近年來，隨著智能穿戴設備的興起和物聯網技術的發展，對于柔性電子元件的需要與日俱增。柔性氣體傳感器相比于硅基襯底或陶瓷襯底氣體傳感器件，在具有高性能的同時還可以實現更小尺寸和更低功耗，同時也適用于可穿戴設備、電子標簽或移動平臺，實時對空氣環境進行質量監控或人體呼吸健康進行生理監控。目前，柔性氣體傳感器的研宄還不成熟，在元件尺寸、敏感薄膜成膜工藝等方面還存在一些問題，尤其是在柔性襯底上如何更好地發揮氣敏傳感器的優勢。
[0003]三維網絡結構敏感薄膜可提供更多有效氣體吸附位，基于該敏感薄膜的氣體傳感器通常具有較高的靈敏度。結合于柔性襯底，可進一步拉伸三維網絡結構敏感薄膜，增大薄膜與氣體的接觸面積，有利于提高氣體傳感器的性能。適用于三維網絡結構敏感薄膜的敏感材料主要包括金屬氧化物納米線/纖維、碳納米管材料、二維材料和聚合物納米線/纖維等。
[0004]目前，三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器研宄較少，文獻報道中的三維網絡結構敏感薄膜多采用硅基襯底，而采用柔性襯底的敏感薄膜制備工藝復雜且未能有效發揮柔性襯底的優勢。如北京化工大學Bai Shouli等在論文“Transparent ConductingFilms of Hierarchically Nanostructured Polyaniline Networks on FlexibleSubstrates for High-Performance Gas Sensors”(Small，2015，11 (3)，306-310)中米用在PET襯底上的銀納米線表面采用原位復合方法制備了聚苯胺納米網絡結構敏感薄膜，用于對5-50ppm氨氣進行檢測。但該報道中聚苯胺網絡結構形成后還需將銀納米線刻蝕，制備工藝復雜，所制備的氣體傳感器元件也未發揮柔性襯底對三維網絡結構薄膜延展性方面的優勢。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提供了一種基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器及制備方法。本發明利用納米材料制備的三維網絡結構敏感薄膜具有良好的氣體吸附結構，可以實現對有毒有害氣體的快速高靈敏檢測；同時借助柔性襯底，可進一步增大該類型敏感薄膜與氣體的接觸面積，提高對氣敏的響應。該制備方法工藝簡單，成本低，所制備的柔性氣體傳感元件兼容性好。
[0006]本發明提出的基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器，該傳感器元件包括:根據制備順序依次層疊的柔性襯底，叉指電極層，三維網絡結構敏感薄膜層；其特征在于，所述的柔性襯底厚度為100?200um，透光率多70?80%，襯底采用聚對苯二甲酸類塑料(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)之中的任一種材料。
[0007]所述的叉指電極層采用鉻(Cr)/金(Au)，厚度為:10?30nm/50?10nm ;或者鈦(Ti) / 金(Au)，厚度為 10 ?30nm/50 ?10nm0
[0008]所述的三維網絡結構敏感薄膜層采用具有納米結構(線、纖維、棒、片等)的半導體材料(金屬氧化物、碳納米管、聚合物等)。
[0009]本發明所提出的制備上述基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0010]I)對柔性襯底層I光刻曝光顯影出叉指電極圖形；正面旋涂光刻膠，3000?5000rpm, 30 ?60s ;前烘 100 ?120°C，I ?3min ;曝光 3 ?5s ;顯影；后烘 100 ?120°C，10?15min，備用；曝光部分即為叉指電極；
[0011 ] 2)采用電子束蒸鍍法在氧化硅絕緣層上依次蒸鍍鉻(Cr) /金(Au)或鈦(Ti) /金(Au)電極，鍍絡(Cr) /金(Au)或鈦(Ti) /金的厚度分別為10?30nm、50?10nm ；
[0012]3)將上述得到的樣片放入丙酮溶液中，超聲剝離去除光刻膠；用酒精、去離子水依次清洗，氮氣吹干得到柔性叉指電極層2 ;
[0013]4)將具有所述納米結構的半導體敏感材料均勻分散于去離子水或有機溶劑(如乙醇、三氯甲烷等)中，濃度為l-8mg/mL ;
[0014]5)在柔性叉指電極器件上采用噴涂工藝制備所述半導體納米材料的三維結構敏感薄膜3，其中噴涂高度為5-15cm，噴涂速度為5-20uL/s，制得具有三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器元件。
[0015]上述柔性氣體傳感元件具有以下幾個特點:
[0016](I)所述傳感元件采用柔性襯底；
[0017](2)所述傳感元件采用具有納米結構(線、纖維、棒、片等)的半導體材料(金屬氧化物、碳納米管、聚合物等)作為敏感材料；
[0018](3)所述敏感薄膜采用噴涂成膜方法；
[0019](4)所述敏感薄膜具有三維網絡結構；
[0020](5)所述傳感元件可以實現對有毒有害氣體的快速高靈敏度檢測；(6)所述傳感元件具有良好的兼容性。
[0021]上述柔性氣體傳感元件具有以下良好效果:(I)具有納米結構(線、纖維、棒、片等)的半導體材料(金屬氧化物、碳納米管、聚合物等)具有良好的機械特性，滿足柔性傳感元件對敏感材料柔韌性的要求；
[0022](2)噴涂工藝制備的薄膜表面具有不連續性，為待測氣體提供了更多的吸附位，是一種有效的成膜方法；同時，通過控制噴涂高度和噴涂流速可對薄膜的厚度和形貌等特征進行調控；此外，噴涂工藝簡單易操作，相比滴涂等成膜工藝更適合于制備三維網絡結構薄膜；
[0023](3)制備于柔性襯底的三維網絡結構敏感薄膜相比于硅基襯底的該類型薄膜通過拉伸可進一步增強敏感薄膜與氣體的接觸面積從而提高傳感元件對氣體的響應；
[0024](4)所述柔性氣體傳感元件采用叉指電極結構，制備方法簡單，成本低，可實現同步并行檢測，兼容性好。
[0025]綜上所述，采用三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器元件，利用柔性襯底增強敏感薄膜延展性的特點，有利于獲得對氣體的快速響應，同時制備工藝簡單，成本低。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性傳感器件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細的描述。
[0028]本發明提出的基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器，如圖1所示，該傳感器包括:根據制備順序依次層疊的柔性襯底1，叉指電極層2，三維網絡結構敏感薄膜層3。
[0029]所述的柔性襯底I厚度為100?200um，透光率多70?80%，襯底采用的材料主要包括聚對苯二甲酸類塑料(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)之中的任一種材料。
[0030]所述的叉指電極層2采用鉻(Cr) /金(Au)，厚度為:10?30nm/50?10nm ;或者鈦(Ti) / 金(Au)，厚度為 10 ?30nm/50 ?10nm0
[0031]所述的三維網絡結構敏感薄膜層采用具有納米結構(線、纖維、棒、片等)的半導體材料(金屬氧化物、碳納米管、聚合物等)。
[0032]本發明提出的基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器的基本原理是:三維網絡結構敏感薄膜可為待檢測氣體分子提供更多更有效的氣體吸附位，當氣體與該敏感薄膜接觸時，氣體分子通過向敏感薄膜捐獻電子或空穴的方式引起敏感薄膜的導電性發生改變。同時，借助于柔性叉指電極，進一步增加該敏感薄膜的延展性和擴展敏感薄膜與氣體的接觸條件，有利于傳感器元件對氣體做出快速的響應。
[0033]本發明所提出的制備上述基于三維網絡結構敏感薄膜的柔性氣體傳感器的制備方法，該工藝流程包括以下步驟:
[0034]I)對柔性襯底層I光刻曝光顯影出叉指電極圖形；正面旋涂光刻膠，3000?5000rpm, 30 ?60s ;前烘 100 ?120°C，I ?3min ;曝光 3 ?5s ;顯影；后烘 100 ?120°C，10?15min，備用；曝光部分即為叉指電極；
[0035]2)采用電子束蒸鍍法在氧化硅絕緣層上依次蒸鍍鉻(Cr) /金(Au)或鈦(Ti) /金(Au)電極，鍍絡(Cr) /金(Au)或鈦(Ti) /金的厚度分別為10?30nm、50?10nm ；
[0036]3)將上述得到的樣片放入丙酮溶液中，超聲剝離去除光刻膠；用酒精、去離子水依次清洗，氮氣吹干得到柔性叉指電極層2 ;
[0037]4)將具有所述納米結構的半導體敏感材料均勻分散于