[发明专利]一种柔性气体传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性气体传感器及其制备方法。所述柔性气体传感器包括气体敏感层、导电网络膜层和柔性衬底；所述导电网络膜层设于柔性衬底上，形成导通的第一导电通道和未导通的第二导电通道；所述气体敏感层覆盖于导电网络膜层上。本发明使用柔韧性良好的导电网络膜层作为电极结构，可避免器件在弯曲或拉伸使用过程中电极失效的问题，且导电网络膜层提供了大量未导通的导电通道，气体敏感层通过控制这些通道的开启与关闭，可实现气体检测的快速响应与恢复，同时导电网络膜层可通过简单、温和的工艺制备而成，有利于降低成本，实现批量生产。

技术领域

本发明涉及敏感电子与柔性电子技术领域，尤其涉及一种可弯曲变形的柔性气体传感器及其制备方法。

背景技术

人类渴望通过穿戴的方式来实现对四周环境、人体健康信息的实时感知。而柔性电子技术的发展使之成为可能。近年来，柔性气体传感器成为一个新的研究热点。柔性气体传感器相比于传统刚性气体传感器，具有高性能、低功耗、便于加工的特点，更容易集成到电子鼻、智能纺织品、电子标签、移动平台等器件上，也可直接贴在生物皮肤、气体储存设备、食品等曲面上，实时地对四周气体环境或人体呼吸健康进行监控。然而，目前的柔性气体传感器存在着灵敏度不高、响应-恢复时间过长以及柔韧性低的问题，未能得到进一步的拓展应用。

在柔性气体传感器中，影响其性能主要有两大关键结构，分别是气体敏感薄膜和与之实现电信号连接的电极，其中，电极的质量，直接关系到气敏单元的灵敏度、响应-恢复时间以及弯曲拉伸特性。现有技术中，柔性敏感电极普遍是通过高温蒸镀或磁控溅射的方法制备而成的多层复合金属膜或导电金属氧化物薄膜，这种电极在器件发生弯曲形变时不仅容易发生劈裂，而且还会在拉伸过程中与衬底和气体敏感层间产生应力作用导致电极剥离。另外这类电极的制备工艺往往涉及高温或真空的工艺，较为复杂，同时会大幅度地增加制作成本。对此，现有的一种改进方法是通过把石墨烯导电材料与具有气体传感特性的纳米晶材料混合而形成一种复合材料薄膜，该复合材料薄膜不仅对待测气体具有传感效应，还能传导电信号出来，可提高响应的时间和效率，但是如果该薄膜要与外电路实现电连接的话，还是需要外加电极的，所以在结构上并没有创新，并不能解决电极与传感薄膜在弯曲与拉伸变形时容易脱离或者剥离的问题。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种柔性气体传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种柔性气体传感器，包括气体敏感层、导电网络膜层和柔性衬底；所述导电网络膜层设于柔性衬底上，形成导通的第一导电通道和未导通的第二导电通道；所述气体敏感层覆盖于导电网络膜层上。

本发明的工作原理为：气体敏感层通过感应气体改变气敏材料的电阻，来控制导电网络膜层中的未导通的第二导电通道的开启与关闭，使得导电网络膜层的载流子运输效率发生变化，检测到导电网络膜层的电阻信号的改变，从而达到气体检测的目的。本发明的先进性体现为：一是导电网络膜层在经过多次弯曲和拉伸中，有些导通的通道可能会受破坏而变成不导通的通道，但由于原来有大量的导通的导电通道，而且不导通的通道可被重新导通用于探测气敏传感层的电阻变化，因此传感器在弯曲和拉伸变形中性能更加稳定；二是本发明通过测量导电网络膜层中导通通道的数量变化而引发导电网络膜层两端电阻值的变化，从而来达到探测气体的目的，而不是直接探测气体敏感层的电阻变化，因此对控制气体敏感层的形状和面积大小的技术要求降低，只需要求气体敏感层具有一定面积但不超出导电网络膜层的面积即可，当然也可以通过改变气体敏感层的形状、尺寸以及与导电网络膜层的复合方式，提升或优化传感器的气敏性能。

相对于现有技术，本发明的柔性气体传感器摒弃了机械性能差的传统电极结构，使用柔韧性良好的导电网络膜层电极结构，可避免器件在弯曲或拉伸使用过程中电极失效的问题；并且，导电网络膜层电极结构提供了大量未导通的导电通道，气体敏感层通过控制这些通道的开启与关闭，可实现气体检测的快速响应与恢复。