Welcome-球速体育一种柔性集成气体传感器及制备方法pdf

　　球速体育本发明公开了一种柔性集成气体传感器及制备方法，所述柔性集成气体传感器包括底层碳基衬底，底层碳基衬底上表面贴设有叉指电极基片，底层碳基衬底上位于叉指电极基片上端阵列有传感器阵列单元结构，传感器阵列单元结构上端设置有顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基(C/e‑PTEF/C)复合衬底，本申请分别采用底层碳基衬底和顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基(C/e‑PTEF/C)复合衬底作为底层和顶层，形成耐高温封装防护结构，本发明不仅可有效阻挡爆炸、火灾等产生的烟尘对传感器气敏单元的污染，在常温环境下，也可有效隔绝空

　　1.一种柔性集成气体传感器，其特征在于，包括底层碳基衬底(1)，底层碳基衬底(1)上

　　表面贴设有叉指电极基片(2)，底层碳基衬底(1)上位于叉指电极基片(2)上端阵列有传感

　　器阵列单元结构(3)，传感器阵列单元结构(3)上端设置有顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基

　　2.根据权利要求1所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，底层碳基衬底(1)上

　　3.根据权利要求1所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，顶层C/e‑PTEF/C复合

　　衬底包括上碳基层(6)和下碳基层(7)，上碳基层(6)和下碳基层(7)之间设置有e‑PTEF薄膜

　　4.根据权利要求3所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，e‑PTEF薄膜层为防水

　　5.根据权利要求1所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，上碳基层(6)和下碳

　　基层(7)上均开设有多个通孔，上碳基层(6)和下碳基层(7)上的通孔倾斜设置。

　　6.根据权利要求5所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，上碳基层(6)和下碳

　　基层(7)上的通孔与e‑PTEF薄膜层(8)之间的夹角为30°‑60°。

　　7.根据权利要求1所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，传感器阵列单元结构

　　(3)和叉指电极基片(2)均通过高温密封胶(5)粘结在底层碳基衬底(1)上。

　　8.根据权利要求1所述的一种柔性集成气体传感器，其特征在于，传感器阵列单元结构

　　(3)具体采用传感器气敏薄膜，阵列于底层碳基衬底(1)上的不同传感器阵列单元结构(3)

　　包括PVP/石墨烯、PVP/碳纳米管//聚苯胺和PVP/聚吡咯@Ag，分别作为NOx、CO、

　　对底层碳基衬底进行清洁处理，将叉指电极基片采用高温密封胶粘结在底层碳基衬底

　　最后采用碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基复合结构进行封装得到柔性集成气体传感器。

　　10.根据权利要求9所述的一种柔性集成气体传感器制备方法，其特征在于，采用静电

　　纺丝技术在底层碳基衬底上生成气敏薄膜层的具体参数为：正负电压分别为+12V和‑5V，纺

　　丝距离为12mm，喷头针孔直径为0.2mm，收丝滚筒转速为500r/min，纺丝时间为40min。

　　[0001]本发明涉及多组分气体检测和柔性耐高温领域，涉及NOx、CO、CO、O多参量集成气

　　[0002]气体传感器是获取环境中气体成分和浓度信息的核心器件，其横跨微机电系统技

　　术、功能材料、纳米技术、有机高分子、光电子元器件等众多基础和应用学科，在工业生产、

　　环境监测、火灾救援、排险除爆和人工智能等领域表现出巨大的应用潜力和价值。随着物联

　　网和电子技术的快速发展，越来越多的电子设备朝着微型化、低功耗、智能化和柔性化方向

　　发展。气体传感器也由传统的石英、玻璃、氧化铝陶瓷管等无机衬底刚性结构慢慢转变为在

　　聚合物、纺织品和纸质基板等软性基底上制造，克服了传统刚性结构延展性差、体积大、灵

　　[0003]但目前已报道的柔性集成气体传感器普遍只针对两种不同类别气体，聚焦于三种

　　甚至四种不同组分气体的柔性感知手段鲜有报道。而像爆炸、火灾等容易产生多种刺激性

　　(如NOx等)和窒息性(如CO等)气体的场合，如果可以实现该现场环境下有毒有害气体及与

　　人体呼吸自由度密切相关的气体(如CO、O等)的同时检测，则可为救援人员提供全面的高

　　温现场气体环境参数，从而为快速制定救援方案和布置现场救援措施提供有效数据支撑和

　　重要依据。但是，由于柔性材料的不耐温性(低于300℃)及易在高温下性能失效等问题，仍

　　[0004]本发明的目的在于提供一种柔性集成气体传感器及制备方法，以克服现有技术的

　　[0005]一种柔性集成气体传感器，包括底层碳基衬底，底层碳基衬底上表面贴设有叉指

　　电极基片，底层碳基衬底上位于叉指电极基片上端阵列有传感器阵列单元结构，传感器阵

　　[0006]优选的，底层碳基衬底上的传感器阵列单元结构呈线形阵列或环形阵列设置。

　　[0007]优选的，顶层C/e‑PTEF/C复合衬底包括上碳基层和下碳基层，上碳基层和下碳基

　　[0009]优选的，上碳基层和下碳基层上均开设有多个通孔，上碳基层和下碳基层上的通

　　[0010]优选的，上碳基层和下碳基层上的通孔与e‑PTEF薄膜层之间的夹角为30°‑60°。

　　[0011]优选的，传感器阵列单元结构和叉指电极基片均通过高温密封胶粘结在底层碳基

　　[0012]优选的，传感器阵列单元结构具体采用传感器气敏薄膜，阵列于底层碳基衬底上

　　的不同传感器阵列单元结构包括PVP/石墨烯、PVP/碳纳米管//聚苯胺和PVP/聚

　　[0014]对底层碳基衬底进行清洁处理，将叉指电极基片采用高温密封胶粘结在底层碳基

　　[0016]最后采用碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基复合结构进行封装得到柔性集成气体传感

　　[0017]优选的，采用静电纺丝技术在底层碳基衬底上生成气敏薄膜层的具体参数为：正

　　负电压分别为+12V和‑5V，纺丝距离为12mm，喷头针孔直径为0.2mm，收丝滚筒转速为500r/

　　[0019]本发明提供一种柔性集成气体传感器，包括底层碳基衬底，底层碳基衬底上表面

　　贴设有叉指电极基片，底层碳基衬底上位于叉指电极基片上端阵列有传感器阵列单元结

　　构，传感器阵列单元结构上端设置有顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基(C/e‑PTEF/C)复合衬

　　底，本申请分别采用底层碳基衬底和顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基(C/e‑PTEF/C)复合衬

　　底作为底层和顶层，形成耐高温封装防护结构，本发明不仅可有效阻挡爆炸、火灾等产生的

　　烟尘对传感器气敏单元的污染，在常温环境下，也可有效隔绝空气中湿气和灰尘等因素对

　　[0020]优选的，上碳基层和下碳基层通过激光加工方法制备斜通孔结构，不仅保证了空

　　气中不同组分气体的正常流通，斜孔结构也有效避免了气流冲击对传感器气敏单元的直接

　　影响。激光加工的倾斜角度范围在30°‑60°之间。中间层e‑PTEF薄膜为防水透气膜，拥有纤

　　维状高分子微孔结构和良好的力学性能，不仅可有效阻挡爆炸、火灾等产生的烟尘对传感

　　器气敏单元的污染，在常温环境下，也可有效隔绝空气中湿气和灰尘等因素对气敏单元的

　　[0021]优选的，本申请采用静电纺丝技术具有简便、高效和可连续制备纳米纤维、微/纳

　　米颗粒的优势，尤其是可实现多种纳米材料掺杂后一次性纺丝成膜，使其在传感器领域引

　　[0023]图2为本发明实施例中呈线形阵列设置的传感器阵列单元结构示意图。

　　[0024]图3为本发明实施例中呈环形阵列设置的传感器阵列单元结构示意图。

　　[0025]图中，1、底层碳基衬底；2、叉指电极基片；3、传感器阵列单元结构；4、顶层碳基/膨

　　体聚四氟乙烯/碳基复合衬底；5、高温密封胶；6、上碳基层；7、下碳基层；8、e‑PTEF薄膜层。

　　[0026]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的

　　附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是

　　本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人

　　员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范

　　[0027]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第

　　二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用

　　的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或

　　描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆

　　盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于

　　清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品

　　[0028]如图1所示，本发明提供一种柔性集成气体传感器，包括底层碳基衬底1，底层碳基

　　衬底1上表面贴设有叉指电极基片2，底层碳基衬底1上位于叉指电极基片2上端阵列有传感

　　器阵列单元结构3，传感器阵列单元结构3上端设置有顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基(C/

　　e‑PTEF/C)复合衬底4，本申请分别采用底层碳基衬底1和顶层碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基

　　(C/e‑PTEF/C)复合衬底作为底层和顶层，形成耐高温封装防护结构，本发明不仅可有效阻

　　挡爆炸、火灾等产生的烟尘对传感器气敏单元的污染，在常温环境下，也可有效隔绝空气中

　　湿气和灰尘等因素对气敏单元的影响，有利于保证传感器的测量精度和性能稳定性。

　　[0029]具体的，底层碳基衬底1上的传感器阵列单元结构呈线形阵列或环形阵列设置，如

　　上的传感器阵列单元结构呈环形阵列设置，本申请设置四个呈环形阵列设置的传感器阵列

　　单元结构，四个呈环形阵列设置的传感器阵列单元结构相邻两个传感器阵列单元结构夹角

　　[0030]顶层C/e‑PTEF/C复合衬底包括上碳基层6和下碳基层7，上碳基层6和下碳基层7之

　　[0031]上碳基层6和下碳基层7上均开设有多个通孔，上碳基层6和下碳基层7上的通孔倾

　　斜设置，上碳基层6和下碳基层7上的通孔与e‑PTEF薄膜层8之间的夹角为30°‑60°。

　　[0032]传感器阵列单元结构3和叉指电极基片2均通过高温密封胶5粘结在底层碳基衬底

　　[0033]传感器阵列单元结构3具体采用传感器气敏薄膜，阵列于底层碳基衬底1上的不同

　　传感器阵列单元结构3包括PVP/石墨烯、PVP/碳纳米管//聚苯胺和PVP/聚吡咯@

　　[0034]在本申请实施例中，所述传感器气敏薄膜采用静电纺丝技术制备得到，静电纺丝

　　技术制备工艺参数为：正负电压分别为+12V和‑5V，纺丝距离为12mm，喷头针孔直径为

　　[0035]气敏单元是集成气体传感器中最核心的感知部件，包括叉指电极基片2和传感器

　　阵列单元结构3两个部分。其中，叉指电极基片2采用导电性和柔韧性较好的Cu/Au材料，通

　　过微机械加工技术成形于碳基衬底，而传感器阵列单元结构3(气敏薄膜)基于静电纺丝工

　　艺成形在叉指电极结构上。柔性集成气体传感器的结构示意图如图1所示，为满足不同形貌

　　复杂结构件的安装要求，阵列结构采用线形阵列或环形阵列等多种形式，在满足小型化阵

　　[0036]在本申请中，分别使用PVP/石墨烯、PVP/碳纳米管//聚苯胺和PVP/聚

　　[0037]采用静电纺丝技术制备得到传感器气敏薄膜，在使用静电纺丝技术制备得到传感

　　器气敏薄膜时，需要用到静电纺丝的混合溶液，在制备用于静电纺丝的混合溶液时，分别将

　　10mg石墨烯、10mg碳纳米管/聚苯胺和10mg聚吡咯@Ag复合纳米材料加入到10g

　　[0038]碳纳米管/CuO@Pt复合材料的制备过程为：先将碳纳米管和CuO纳米粉末混合加入

　　到适量无水乙醇中，在磁力搅拌和超声处理后再向其中加入Pt纳米粉末，重复磁力搅拌和

　　超声处理后在干燥箱中进行烘干处理，最后研磨成粉末，即可获得碳纳米管/CuO@Pt复合纳

　　米粉末，碳纳米管、CuO和Pt纳米粉末的质量比分别为1:10:5。聚吡咯@Ag复合材料和碳纳米

　　管/CuO@Pt复合材料的制备过程类似，其中，聚吡咯、Ag的质量比为5:1。

　　[0039]本申请采用微机械加工技术，完成柔性集成气体传感器的叉指电极制备，采用耐

　　温性好的碳基薄膜作为柔性基底，而基底的洁净度对叉指电极结构的制备具有很大的影

　　响，因此，在正式制备叉指电极之前，首先依次使用丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水超

　　声清洗基底表面，以去除灰尘颗粒等杂质。然后，依次通过“清洗‑旋涂‑光刻‑溅射‑剥离”工

　　艺完成Cu/Au叉指电极基片的制造。在完成单个叉指电极结构制备后，再通过集成工艺完成

　　传感器阵列单元结构3的制备。本申请采用静电纺丝技术具有简便、高效和可连续制备纳米

　　纤维、微/纳米颗粒的优势，尤其是可实现多种纳米材料掺杂后一次性纺丝成膜，使其在传

　　[0040]本申请中气敏薄膜层的制备采用静电纺丝技术，在电场作用下，通过注射器将不

　　同气敏材料溶液依次或同时以纤维形态注射到滚筒接收器上。通过调节电场电压、溶液浓

　　度和黏度、纺丝距离、喷丝针头孔径和间距及收丝筒的转速的加工参数，最终完成传感器气

　　敏薄膜的制备。静电纺丝的工艺参数为：正负电压分别为+12V和‑5V，纺丝距离为12mm，喷头

　　针孔直径为0.2mm，收丝滚筒转速为500r/min，纺丝时间为40min。

　　[0041]爆炸、火灾等产生的高温、热气流、烟尘等现象对气体传感器的检测具有重要影

　　响，会严重干扰传感器的测量精度和识别准确度，甚至导致传感器的检测失效。为实现柔性

　　气体传感器的高温稳定服役，本申请采用丝网印刷技术制备耐温性好的碳基衬底，并依次

　　在其上依次成形叉指电极结构和气敏薄膜。顶层封装采用碳基/膨体聚四氟乙烯/碳基(C/

　　e‑PTEF/C)三层复合结构，可有效降低高温环境对柔性传感器的损坏和干扰。

　　[0042]上碳基层和下碳基层通过激光加工方法制备斜通孔结构，不仅保证了空气中不同

　　组分气体的正常流通，斜孔结构也有效避免了气流冲击对传感器气敏单元的直接影响。激

　　光加工的倾斜角度范围在30°‑60°之间。中间层e‑PTEF薄膜为防水透气膜，拥有纤维状高分

　　子微孔结构和良好的力学性能，不仅可有效阻挡爆炸、火灾等产生的烟尘对传感器气敏单

　　元的污染，在常温环境下，也可有效隔绝空气中湿气和灰尘等因素对气敏单元的影响，有利

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