[发明专利]基于三维网络结构敏感薄膜的柔性气体传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于敏感电子学和柔性电子技术领域，具体涉及一种基于三维网络敏感薄膜的柔性气体传感器件及其制备方法。

背景技术

柔性电子技术以其独特的柔性、延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗和国防等领域具有广泛应用前景。近年来，随着智能穿戴设备的兴起和物联网技术的发展，对于柔性电子元件的需要与日俱增。柔性气体传感器相比于硅基衬底或陶瓷衬底气体传感器件，在具有高性能的同时还可以实现更小尺寸和更低功耗，同时也适用于可穿戴设备、电子标签或移动平台，实时对空气环境进行质量监控或人体呼吸健康进行生理监控。目前，柔性气体传感器的研究还不成熟，在元件尺寸、敏感薄膜成膜工艺等方面还存在一些问题，尤其是在柔性衬底上如何更好地发挥气敏传感器的优势。

三维网络结构敏感薄膜可提供更多有效气体吸附位，基于该敏感薄膜的气体传感器通常具有较高的灵敏度。结合于柔性衬底，可进一步拉伸三维网络结构敏感薄膜，增大薄膜与气体的接触面积，有利于提高气体传感器的性能。适用于三维网络结构敏感薄膜的敏感材料主要包括金属氧化物纳米线/纤维、碳纳米管材料、二维材料和聚合物纳米线/纤维等。

目前，三维网络结构敏感薄膜的柔性气体传感器研究较少，文献报道中的三维网络结构敏感薄膜多采用硅基衬底，而采用柔性衬底的敏感薄膜制备工艺复杂且未能有效发挥柔性衬底的优势。如北京化工大学Bai Shouli等在论文“Transparent Conducting Films of Hierarchically Nanostructured Polyaniline Networks on Flexible Substrates for High-Performance Gas Sensors”(Small，2015，11(3)，306-310)中采用在PET衬底上的银纳米线表面采用原位复合方法制备了聚苯胺纳米网络结构敏感薄膜，用于对5-50ppm氨气进行检测。但该报道中聚苯胺网络结构形成后还需将银纳米线刻蚀，制备工艺复杂，所制备的气体传感器元件也未发挥柔性衬底对三维网络结构薄膜延展性方面的优势。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供了一种基于三维网络结构敏感薄膜的柔性气体传感器及制备方法。本发明利用纳米材料制备的三维网络结构敏感薄膜具有良好的气体吸附结构，可以实现对有毒有害气体的快速高灵敏检测；同时借助柔性衬底，可进一步增大该类型敏感薄膜与气体的接触面积，提高对气敏的响应。该制备方法工艺简单，成本低，所制备的柔性气体传感元件兼容性好。

本发明提出的基于三维网络结构敏感薄膜的柔性气体传感器，该传感器元件包括：根据制备顺序依次层叠的柔性衬底，叉指电极层，三维网络结构敏感薄膜层；其特征在于，所述的柔性衬底厚度为100～200um，透光率≥70～80％，衬底采用聚对苯二甲酸类塑料(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)之中的任一种材料。

所述的叉指电极层采用铬(Cr)/金(Au)，厚度为：10～30nm/50～100nm；或者钛(Ti)/金(Au)，厚度为10～30nm/50～100nm。

所述的三维网络结构敏感薄膜层采用具有纳米结构(线、纤维、棒、片等)的半导体材料(金属氧化物、碳纳米管、聚合物等)。

本发明所提出的制备上述基于三维网络结构敏感薄膜的柔性气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对柔性衬底层1光刻曝光显影出叉指电极图形；正面旋涂光刻胶，3000～5000rpm，30～60s；前烘100～120℃，1～3min；曝光3～5s；显影；后烘100～120℃，10～15min，备用；曝光部分即为叉指电极；

2)采用电子束蒸镀法在氧化硅绝缘层上依次蒸镀铬(Cr)/金(Au)或钛(Ti)/金(Au)电极，镀铬(Cr)/金(Au)或钛(Ti)/金的厚度分别为10～30nm、50～100nm；

3)将上述得到的样片放入丙酮溶液中，超声剥离去除光刻胶；用酒精、去离子水依次清洗，氮气吹干得到柔性叉指电极层2；

4)将具有所述纳米结构的半导体敏感材料均匀分散于去离子水或有机溶剂(如乙醇、三氯甲烷等)中，浓度为1-8mg/mL；

5)在柔性叉指电极器件上采用喷涂工艺制备所述半导体纳米材料的三维结构敏感薄膜3，其中喷涂高度为5-15cm，喷涂速度为5-20uL/s，制得具有三维网络结构敏感薄膜的柔性气体传感器元件。

上述柔性气体传感元件具有以下几个特点：