[发明专利]一种可拉伸半导体电阻式柔性气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有微褶皱薄膜结构的可拉伸半导体电阻式柔性气体传感器及其制备方法。采用可拉伸的绝缘衬底‑聚丙烯酸酯双面泡绵胶带（VHB），将其单向预拉伸一定的程度固定在刚性基底上；在预拉伸状态的VHB衬底上进行图案化的石墨烯电极和胶体量子点薄膜的制备，继而缓慢回缩VHB衬底完成传感器制备。上述方法中制备的气体传感器具有微褶皱薄膜结构的气敏层和图案化的石墨烯电极，该气体传感器具有可拉伸的柔性特征，传感器的制作温度和工作温度可低至室温，室温下可检测气体浓度的瞬间或微量变化，响应恢复速度快且灵敏度高，同时该气体传感器具有抗环境湿度干扰特性，具有更好的长期稳定性。

技术领域

本发明属于气敏材料与元件技术领域，更具体地，涉及一种以胶体量子点为气敏材料的具有薄膜微观褶皱薄膜结构的可拉伸半导体电阻式柔性气体传感器及其制备方法。

背景技术

传统的气体传感器由于制作温度较高，通常采用陶瓷、石英、硅等高耐热的刚性材料为衬底，随着纳米材料低温甚至室温沉积工艺的发展，最新的气体传感器研究中可采用旋涂、提拉、印刷、打印等方式将气敏材料按所需的图形涂覆在耐热温度较低的塑料(如PET聚酯、聚酰亚胺PI)甚至纸等柔性衬底上，制作出新型的柔性传感器，具有重量轻、外形薄、柔韧性好、便于加工、易规模化生产的特点，有望直接贴装在气体存储设备、各类食物和生物皮肤表面等曲面上使用，在环境保护、食品工业、医疗卫生等领域中有着传统刚性传感器无法比拟的优势，而且由于易于图形化和集成化，柔性气体传感器比刚性器件更易集成到多传感器阵列、电子鼻、智能纺织品、RFID射频标签等系统中实现全新的用途，符合气体传感器微型化、智能化和多功能化的发展趋势。

鉴于柔性器件的诱人应用前景，发展基于柔性衬底的器件成为了最近几年气体传感器一个新的发展方向。然而，当前柔性气体传感器中的气敏层多为有机材料，例如2011年，苏州大学和国家纳米科学中心合作研究出以导电聚合物PANI纳米线为气敏材料、PET聚酯塑料为衬底的室温柔性气体传感器，室温下对100ppmH₂气体响应时间和恢复时间分别约为100秒和250秒，而电学性质更优的无机材料由于沉积温度一般较高，器件制作工艺与柔性衬底兼容性较差，急需开发可低温甚至室温成膜的无机气敏材料，使之能沉积在柔性衬底上制作成器件。

另一方面，从研究报道的气敏性能水平来看，当前柔性气体传感器有着灵敏度不高、响应-恢复特性不理想的问题，同时涉及到气体传感器柔韧性的报道较少。例如，2010年韩国研究人员采用碳纳米管/还原石墨烯复合膜为气敏材料在聚酰亚胺PI衬底上制作成柔性气体传感器，室温下对10ppm NO₂气体灵敏度仅为1.2；2012年美国麻省大学洛威尔分校报道将碳纳米管在纸上喷墨打印成膜，室温下对100ppm的NO₂和Cl₂的灵敏度分别为2.4和2.7，响应时间分别为3分钟和5分钟，恢复时间分别长达为12分钟和7分钟。

此外，专利CN103675034B公开了“一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法”，其衬底为氧化铝陶瓷刚性基底，不具备柔韧和可拉伸特性，无法通过基底的形变来构筑具有不同形貌的微结构薄膜；华中科技大学报道了纸质衬底上PbS胶体量子点柔性气体传感器(Adv.Mater.2014,26,2718–2724)，器件在不同弯曲下仍具备很好气敏性能，其纸质基底虽具备柔韧性可以弯曲变形，但仍不具备可拉伸特性，也无法通过基底的形变控制来构筑微褶皱薄膜结构。可见，目前尚未见针对柔性气体传感器所特有的柔性衬底优化、薄膜微结构调控以及可拉伸传感器气敏性能的报道。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有微褶皱薄膜结构的可拉伸半导体电阻式柔性气体传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中由于刚性基底柔韧性差以及成膜工艺与柔性衬底不兼容的问题导致气敏响应灵敏度低，响应/恢复时间慢以及限制其在柔性电子器件上发展的技术问题。

本发明的提供的一种可拉伸半导体电阻式柔性气体传感器，包括：柔性绝缘衬底，图案化石墨烯电极以及胶体量子点气敏层。