[发明专利]一种二氧化碳传感器的制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化碳传感器的制备方法，包括以下步骤：利用可碳化高分子或小分子碳源制备多孔碳器件；将多孔碳器件的至少两处进行电连接以形成电极；在多孔碳器件表面修饰敏感化合物层，热处理后得到二氧化碳传感器；其中，敏感化合物层与二氧化碳接触后电阻发生变化。采用本发明的方法制备出基于敏感化合物层的电阻式二氧化碳传感器，该方法成本低、普适性强、设计灵活、制作简便，加工手段可自动化，工艺可控性好，所制备的二氧化碳传感器具有快速平衡的优点。

技术领域

本发明涉及气体传感器制备技术领域，尤其涉及一种二氧化碳传感器的制备方法。

背景技术

二氧化碳浓度的检测及监控在农业、医疗等诸多社会领域具有广泛的应用。目前商用二氧化碳传感器主要是红外吸收式二氧化碳传感器。红外吸收式二氧化碳传感器优势在于测量精度高、选择型好、敏感性与精度高、不受气体浓度影响，但价格昂贵。

此外，还出现了电化学气敏电极式、半导体式、固体电解质、敏感薄层式等类型的二氧化碳传感器。其中，电化学气敏电极式二氧化碳传感器属于pH传感器，容易受各种酸碱气体干扰，且电极中的玻璃膜易受干扰、响应时间长；半导体式二氧化碳传感器选择性差，误报率较高，且不稳定，易受环境因素影响；固体电解质式二氧化碳传感器材料机械性能差，价格昂贵，且需要高温工作环境。

敏感薄膜二氧化碳传感器是在石英晶体微天平、声表器件、有机场效应管、，叉指电极等器件表面，涂覆敏感薄层。利用二氧化碳吸附在敏感薄层上导致敏感薄层的电阻、功函、质量等发生变化，从而引起传感器输出信号(电压、频率、电容等)产生变化，从而检测二氧化碳的浓度。其中，通过敏感薄层的电阻变化检测二氧化碳浓度的办法，具有器件电路设计简单，价格低廉的优点。

如图1-2，典型的电阻对二氧化碳敏感的高分子化合物有聚乙烯亚胺、聚苯胺等。Mulchandani A.等人利用聚乙烯亚胺功能化聚苯胺纳米薄膜制作电阻式二氧化碳传感器(Srinives S,Sarkar T,Hernandez R,Mulchandani A.A miniature chemiresistorsensor for carbon dioxide,AnalyticaChimicaActa 874(2015)54–58)；Doan T等人将聚乙烯亚胺与高分子聚电解质共混，制作电阻式二氧化碳传感器(Doan T,Baggerman J,Ramaneti R,Tong H,Marcelis A,Rijn C.Carbon dioxide detection withpolyethylenimine blended with polyelectrolytes,Sensors and Actuators B 201(2014)452–4)。

基于敏感高分子薄层电阻式二氧化碳传感器，普遍存在敏感薄层与二氧化碳气体分子相互作用达到平衡所需要的时间长，基线漂移，不能实时反应环境二氧化碳的浓度，限制了敏感薄层二氧化碳传感器的实际应用。

分析物扩散到敏感材料表面后与之发生相互作用，受扩散平衡影响，缩短平衡时间的办法一般可以分成以下两个方面。一方面，可以降低敏感薄层的厚度，另一方面，可以提高表面积/体积之比。比如Huang JX、Xing S、Babaei M等人分别利用合成工艺控制，在金叉指电极表面合成聚苯胺纳米纤维复合体，以提高对气体传感的快速平衡能力。CollinsGE等人利用高分子纤维作为基材，制备气体传感器件。Ionete EI等人利用碳管与聚苯胺混合，Zhou Y等人利用还原氧化石墨与聚乙烯亚胺共混，利用纳米粒子的大比表面积提高敏感薄层对二氧化碳的传感能力。Zarbin A和Sotomayor P等人利用多孔玻璃作为基材，RamM和Nohria R等人利用层层自组装制备超薄导电高分子膜用于制备气体传感器。

上述这些技术在制备快速平衡二氧化碳传感器还难以实现实际应用。通过合成工艺调控制备纳米结构，不能灵活选择敏感薄层材料，合成控制要求高；层层自组装等办法制备超薄薄膜对器件制备工艺要求高；利用高分子纤维或者多孔玻璃等绝缘基体材料，电极制备困难。

发明内容