一種二氧化氮氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】一種二氧化氮氣體傳感器及其制備方法，涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。該二氧化氮氣體傳感器，包括上表面設(shè)置有叉指電極的襯底，叉指電極表面沉積有還原的氧化石墨烯薄膜，共同形成覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)，在覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)表面沉積有聚N-甲基吡咯薄膜，聚N-甲基吡咯薄膜中，少數(shù)聚N-甲基吡咯材料透過還原的氧化石墨烯薄膜縫隙與叉指電極相接觸，多數(shù)聚N-甲基吡咯材料沉積于還原的氧化石墨烯薄膜表面。該傳感器采用聚N-甲基吡咯作為氣體吸附的選擇層，利用還原的氧化石墨烯作為氣敏材料以測試二氧化氮氣體分子，提高對二氧化氮氣體的選擇性，利于檢測混合氣體中的二氧化氮；且結(jié)構(gòu)簡單，易于制備，生產(chǎn)成本低，便于進(jìn)行實驗操作；適用于檢測二氧化氮氣體。
【專利說明】一種二氧化氮氣體傳感器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種二氧化氮氣體傳感器及其制備方法，具體是涉及一種適于室溫工作的二氧化氮薄膜氣體傳感器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)末人類進(jìn)入信息社會以來，人們的一切活動都是以信息獲取與信息交換為中心，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)與三大支柱之一的傳感器技術(shù)也進(jìn)入高速發(fā)展的新時期。
[0003]由于叉指電極對涂覆在其上的薄膜電阻、電解質(zhì)變化響應(yīng)極其靈敏，因此基于叉指電極的電阻型、電容型氣體傳感器如雨后春筍般涌現(xiàn)。而該類氣體傳感器上覆有單一的聚合物敏感薄膜，現(xiàn)有的二氧化氮氣體傳感器的其示意圖如圖1所示，襯底I的上表面設(shè)置有叉指電極2，叉指電極2表面沉積有連續(xù)的還原的氧化石墨烯(RGO)薄膜3，還原的氧化石墨烯薄膜3即為聚合物敏感薄膜。然而單一的聚合物敏感薄膜往往對多種氣體均有響應(yīng)，如:采用氣噴成膜工藝沉積在叉指電極上還原的氧化石墨烯材料，幾乎對所有無機(jī)氣體均有響應(yīng)；采用氣噴成膜工藝沉積在叉指電極上聚苯胺材料，對二氧化氮、二氧化硫、硫化氫和氨氣等均有響應(yīng)；采用氣噴成膜工藝沉積在叉指電極上聚吡咯材料，對二氧化氮、一氧化碳和二氧化硫等都有響應(yīng)。目前并不存在能夠獲得單一氣體氣敏響應(yīng)且結(jié)構(gòu)簡單的氣體傳感器及其制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠獲得單一氣體氣敏響應(yīng)且結(jié)構(gòu)簡單的二氧化氮氣體傳感器及其制備方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該二氧化氮氣體傳感器，包括襯底，所述襯底的上表面設(shè)置有叉指電極，所述叉指電極表面沉積有還原的氧化石墨烯薄膜，叉指電極與還原的氧化石墨烯薄膜共同形成覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)，在覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)表面沉積有聚N-甲基吡咯薄膜，所述聚N-甲基吡咯薄膜中，少數(shù)聚N-甲基吡咯材料透過還原的氧化石墨烯薄膜縫隙與叉指電極相接觸，多數(shù)聚N-甲基吡咯材料沉積于還原的氧化石墨烯薄膜表面。
[0006]具體的，所述襯底為二氧化硅或硅材料的襯底。
[0007]具體的，所述聚N-甲基吡咯薄膜是采用氣噴成膜方法沉積形成的。
[0008]本發(fā)明還提供了一種制備上述二氧化氮氣體傳感器的方法，具體方案如下:一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0009]A.將還原的氧化石墨烯溶液沉積在叉指電極上，所述叉指電極固定在襯底上；
[0010]B.將沉積有還原的氧化石墨烯的叉指電極放置在真空干燥箱中，進(jìn)行干燥處理以生成連續(xù)的還原的氧化石墨烯薄膜；
[0011]C.將聚N-甲基吡咯溶液沉積在經(jīng)過步驟B處理后的叉指電極上，并進(jìn)行干燥處理。
[0012]具體的，在步驟A中，將還原的氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在清洗過的叉指電極上。
[0013]具體的，在步驟B中，所述干燥處理為在60°C溫度中進(jìn)行干燥。
[0014]進(jìn)一步的，在步驟C中，所述聚N-甲基吡咯溶液通過以下步驟獲得:
[0015]Cl.在一個兩口燒瓶中分別裝上滴液漏斗和氮氣入口管，加入I克三氯化鐵和氯仿，對其進(jìn)行電磁攪拌，通入氮氣鼓泡，滴加5克N-甲基吡咯單體，在0°C下反應(yīng)3小時；
[0016]C2.將步驟Cl得到的反應(yīng)混合物倒入甲醇中，除去反應(yīng)生成的二氯化鐵和未反應(yīng)的三氯化鐵，過濾收集聚合物沉淀；
[0017]C3.用甲醇對步驟C2中沉淀后的聚合物進(jìn)行洗滌并進(jìn)行真空干燥處理，得到黑色粉末狀聚N-甲基吡咯；
[0018]C4.將黑色粉末狀聚N-甲基吡咯溶解得到聚N-甲基吡咯溶液。
[0019]優(yōu)選的，步驟C中所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
[0020]優(yōu)選的，在步驟C中，將聚N-甲基吡咯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經(jīng)過步驟B處理后的叉指電極表面。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:該傳感器采用聚N-甲基吡咯作為氣體吸附的選擇層，利用還原的氧化石墨烯作為氣敏材料以測試二氧化氮氣體分子，有效地提高了傳感器對二氧化氮氣體的選擇性，利于二氧化氮氣體在混合氣體中的檢測；該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，采用傳統(tǒng)的微加工技術(shù)便可以實現(xiàn)，成膜工藝簡單，易于制備，生產(chǎn)成本低。另外，該二氧化氮氣體傳感器是在室溫下進(jìn)行測試的，不需要在特定的溫度下進(jìn)行，便于進(jìn)行相關(guān)的實驗操作。本發(fā)明適用于氣體檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是現(xiàn)有的二氧化氮氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的二氧化氮氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明的二氧化氮氣體傳感器和現(xiàn)有的二氧化碳?xì)怏w傳感器對不同氣體的氣敏響應(yīng)的柱狀對比圖；
[0025]其中，I為襯底，2為叉指電極，3為還原的氧化石墨烯薄膜，4為聚N-甲基吡咯薄膜。

【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0027]如圖2所示，本發(fā)明的一種二氧化氮氣體傳感器，包括襯底1，所述襯底I的上表面設(shè)置有叉指電極2，所述叉指電極2表面沉積有還原的氧化石墨烯薄膜3，叉指電極2與還原的氧化石墨烯薄膜3共同形成覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，在覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)表面沉積有聚N-甲基吡咯薄膜4，所述聚N-甲基吡咯薄膜4中，少數(shù)聚N-甲基吡咯材料透過還原的氧化石墨烯薄膜3縫隙與叉指電極2相接觸，多數(shù)聚N-甲基吡咯材料沉積于還原的氧化石墨烯薄膜3表面。
[0028]該二氧化氮氣體傳感器的薄膜結(jié)構(gòu)是改進(jìn)電阻型氣體傳感器響應(yīng)的薄膜結(jié)構(gòu)，SP是由還原的氧化石墨烯和聚N-甲基吡咯(PNPY)組成的敏感薄膜結(jié)構(gòu)的傳感器。由于聚N-甲基吡咯薄膜雖然不導(dǎo)電，但沒有氫鍵受體基團(tuán)，對氨氣和大部分含氫的有機(jī)蒸汽都沒有吸附作用，而在無機(jī)氣體中，只對極性較強(qiáng)的二氧化氮有吸附作用。因為可以屏蔽干擾氣體，使該傳感器幾乎只對二氧化氮氣體有響應(yīng)，有效地防止了其它氣體對傳感器信號產(chǎn)生的干擾。
[0029]為了使得薄膜更加均勻，性能更加穩(wěn)定，采用氣噴成膜的方法將RGO材料沉積在叉指電極2上，并在60°C真空條件下進(jìn)行干燥以形成連續(xù)的RGO薄膜3 ;同理，采用氣噴成膜的方法將聚N-甲基吡咯材料沉積在附著有RGO薄膜3的叉指電極2上，小部分聚N-甲基吡咯材料透過RGO薄膜3的縫隙與RGO薄膜3下的叉指電極2相接觸，大部分聚N-甲基吡咯材料和叉指電極2不直接接觸，而是沉積在RGO薄膜3上。由于聚N-甲基吡咯薄膜4并不導(dǎo)電，RGO薄膜3和叉指電極2構(gòu)成導(dǎo)電通路。而聚N-甲基吡咯薄膜4能夠有效增加器件的電阻值。
[0030]在使用時，將該二氧化氮氣體傳感器置于測試腔中，采用干燥空氣作為載氣和稀釋氣體，并用配氣系統(tǒng)如MF-3C動態(tài)配氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)二氧化氮氣體或蒸汽的濃度，用多路信號采集器采集相應(yīng)的電阻信號。所述叉指電極2作為傳感器信號的輸出端與讀出裝置或者計算機(jī)連接，根據(jù)RGO和聚N-甲基吡咯組成的敏感薄膜的特性通過電阻形式輸出傳感器信號，測試溫度為室溫。二氧化氮氣體分子需要透過聚N-甲基吡咯薄膜4才能和底層的RGO薄膜3發(fā)生吸附和解吸附，進(jìn)而導(dǎo)致該氣體傳感器信號的變化。而由于在室溫下，聚N-甲基吡咯薄膜4不導(dǎo)電，對二氧化氮氣體分子的吸附并不會引起該氣體傳感器信號的變化；另外，該二氧化氮氣體傳感器不需要在特定的溫度下進(jìn)行，便于進(jìn)行相關(guān)的實驗操作。
[0031]基于成本及使用廣泛性，所述襯底I采用二氧化硅或硅材料制作而成。
[0032]本發(fā)明形成的叉指電極電阻式氣體傳感器的敏感薄膜結(jié)構(gòu)在對有毒有害氣體檢測中有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0033]本發(fā)明還提供了一種制備上述二氧化氮氣體傳感器的方法，具體方案如下:
[0034]A.將還原的氧化石墨烯溶液沉積在叉指電極2上，所述叉指電極2固定在襯底I上；
[0035]B.將沉積有還原的氧化石墨烯的叉指電極2放置在真空干燥箱中，進(jìn)行干燥處理以生成連續(xù)的還原的氧化石墨烯薄膜3 ；
[0036]C.將聚N-甲基吡咯溶液沉積在經(jīng)過步驟B處理后的叉指電極2上，并進(jìn)行干燥處理。
[0037]為了保證加工質(zhì)量，保證薄膜的均勻性及穩(wěn)定性，防止薄膜脫落，在步驟A中，將還原的氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在清洗過的叉指電極2上。
[0038]為了達(dá)到較好的干燥效果，提高干燥速度，在步驟B中，所述干燥處理為在60°C溫度中進(jìn)行干燥。
[0039]在上述實施方式中，步驟C中的聚N-甲基吡咯溶液可以采用現(xiàn)有的各種方法實現(xiàn)，作為優(yōu)選的是:在一個兩口燒瓶中分別裝上滴液漏斗和氮氣入口管，加入I克三氯化鐵和氯仿，對其進(jìn)行電磁攪拌，通入氮氣鼓泡，滴加5克N-甲基吡咯單體，在0°C下反應(yīng)3小時；而后將得到的反應(yīng)混合物倒入甲醇中，除去反應(yīng)生成的二氯化鐵和未反應(yīng)的三氯化鐵，過濾收集聚合物沉淀；繼而進(jìn)行洗滌并進(jìn)行真空干燥處理，得到黑色粉末狀聚N-甲基吡咯；將黑色粉末狀聚N-甲基吡咯溶解得到聚N-甲基吡咯溶液。
[0040]為了達(dá)到較好的干燥效果，步驟C中所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
[0041]為了保證加工質(zhì)量，保證聚N-甲基吡咯薄膜的均勻性及穩(wěn)定性，防止聚N-甲基吡咯薄膜脫落，在步驟C中，將聚N-甲基吡咯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經(jīng)過步驟B處理后的叉指電極2表面。
[0042]經(jīng)過大量實驗驗證后，得出本發(fā)明所述的二氧化氮氣體傳感器和現(xiàn)有的二氧化氮氣體傳感器對不同濃度的二氧化氮氣體氣敏響應(yīng)的柱狀對比圖，如圖3所示，縱坐標(biāo)為氣敏響應(yīng)的靈敏度值，橫坐標(biāo)為二氧化氮的濃度值，RGO表示還原的氧化石墨烯，PNPY表示聚N-甲基吡咯，現(xiàn)有的二氧化氮氣體傳感器是只使用了單一的RGO薄膜，而本發(fā)明中是使用了 RGO和PNPY薄膜作為敏感薄膜，由圖中可以看出，本發(fā)明所述的二氧化氮氣體傳感器對二氧化氮氣體的氣敏響應(yīng)相較于現(xiàn)有的二氧化氮氣體傳感器降低了將近40%，但對二氧化氮氣體的選擇性大大提高了。
【權(quán)利要求】
1.一種二氧化氮氣體傳感器，包括襯底(I)，所述襯底(I)的上表面設(shè)置有叉指電極(2)，所述叉指電極(2)表面沉積有還原的氧化石墨烯薄膜(3)，叉指電極(2)與還原的氧化石墨烯薄膜(3)共同形成覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，在覆膜叉指電極結(jié)構(gòu)表面沉積有聚N-甲基吡咯薄膜(4)，所述聚N-甲基吡咯薄膜(4)中，少數(shù)聚N-甲基吡咯材料透過還原的氧化石墨烯薄膜(3)縫隙與叉指電極(2)相接觸，多數(shù)聚N-甲基吡咯材料沉積于還原的氧化石墨烯薄膜(3)表面。
2.如權(quán)利要求1所述的一種二氧化氮氣體傳感器，其特征在于，所述襯底(I)為二氧化硅或硅材料的襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的一種二氧化氮氣體傳感器，其特征在于，所述聚N-甲基吡咯薄膜是采用氣噴成膜方法沉積形成的。
4.一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: A.將還原的氧化石墨烯溶液沉積在叉指電極(2)上，所述叉指電極(2)固定在襯底(I)上; B.將沉積有還原的氧化石墨烯的叉指電極(2)放置在真空干燥箱中，進(jìn)行干燥處理以生成連續(xù)的還原的氧化石墨烯薄膜(3)； C.將聚N-甲基吡咯溶液沉積在經(jīng)過步驟B處理后的叉指電極(2)上，并進(jìn)行干燥處理。
5.如權(quán)利要求4所述的一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，在步驟A中，將還原的氧化石墨烯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在清洗過的叉指電極(2)上。
6.如權(quán)利要求5所述的一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，在步驟B中，所述干燥處理為在60°C溫度中進(jìn)行干燥。
7.如權(quán)利要求6所述的一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，在步驟C中，所述聚N-甲基吡咯溶液通過以下步驟獲得: Cl.在一個兩口燒瓶中分別裝上滴液漏斗和氮氣入口管，加入I克三氯化鐵和氯仿，對其進(jìn)行電磁攪拌，通入氮氣鼓泡，滴加5克N-甲基吡咯單體，在0°C下反應(yīng)3小時； C2.將步驟Cl得到的反應(yīng)混合物倒入甲醇中，除去反應(yīng)生成的二氯化鐵和未反應(yīng)的三氯化鐵，過濾收集聚合物沉淀； C3.用甲醇對步驟C2中沉淀后的聚合物進(jìn)行洗滌并進(jìn)行真空干燥處理，得到黑色粉末狀聚N-甲基吡咯； C4.將黑色粉末狀聚N-甲基吡咯溶解得到聚N-甲基吡咯溶液。
8.如權(quán)利要求7所述的一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，步驟C中所述干燥處理采用真空干燥的方式，并且所述真空干燥的時間為兩天。
9.如權(quán)利要求8所述的一種二氧化氮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，在步驟C中，將聚N-甲基吡咯溶液通過氣噴成膜的工藝沉積在經(jīng)過步驟B處理后的叉指電極(2)表面。
【文檔編號】G01N27/12GK104181209SQ201410398061
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】謝光忠, 黃俊龍, 解濤, 周泳, 杜曉松, 太惠玲, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)