傳感元件及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感元件技術領域，尤其是涉及一種鉛筆繪制式NO2傳感元件及其制作方法。
【背景技術】
[0002]當前，全球大中城市都面臨汽車尾氣污染的問題，其中氮氧化物作為尾氣排放物之一，對環(huán)境及人類健康都已構成了嚴重的威脅。我國《環(huán)境空氣質量標準》規(guī)定人類居住區(qū)大氣中NO2的日平均最高允許濃度為0.15mg/m3(三級標準)。故急需開發(fā)適用于低濃度NO2氣體分子檢測的傳感元件以滿足環(huán)境檢測發(fā)展的需求。制備一種低檢測限、專一選擇性、快速響應和恢復特性、高靈敏度的NOdf感元件成為一項非常重要的任務。
[0003]紙是日常生活中無處不在的低成本基底，使用紙基材做電子產(chǎn)品已成為新的研宄熱點。近年來，由于生產(chǎn)柔性的、輕薄的、低成本的、便攜的和環(huán)境友好的產(chǎn)品(天線、觸摸板、微流體裝置、顯示器、聲源、印刷電路板和傳感器)潛力巨大，紙基電子學吸引了很多研宄者的目光。紙纖維天然的多孔結構可以沉積更多的復合材料，相比傳統(tǒng)的基材(硅、玻璃、塑料)，大大提高了材料沉積量和接觸面，可以促使諸如儲能器件，太陽能電池，以及傳感器獲得更好的性能。然而，在大多數(shù)紙基裝置中，制作油墨需要昂貴的材料(碳納米管和金屬納米粒子)，且油墨中含有大量的液態(tài)添加劑，沉積后殘留的溶劑需要通過蒸發(fā)去除，操作和處理比較復雜。與傳統(tǒng)的油墨相比，鉛筆作為日常商品可以輕松獲得，通過繪制的方法在各種襯底上沉積石墨電路，其痕跡防潮、防化學品侵蝕，即使在紫外線照射下也相當穩(wěn)定。目前碳基材料已經(jīng)被廣泛應用于打印裝置，但是鉛筆繪制式電子產(chǎn)品潛在的巨大利益才剛剛浮現(xiàn)。鉛筆繪制電子產(chǎn)品的技術被廣泛應用于各種電子器件制造，如超級電容器、鋰離子電池、濾波器等。通過鉛筆在紙上繪制可能是最簡單的無溶劑制造石墨電路的方法。鉛筆繪制式電子產(chǎn)品工藝簡單、操作方便、工藝參數(shù)易于控制、制作過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，傳感薄膜材料容易取得，成本低，電氣性能穩(wěn)定，具有小型化、輕薄化以及制作周期短等優(yōu)點，其工藝將成為制備電子器件的一種有效工藝手段；印刷技術由于產(chǎn)量高，成本低以及周期短等優(yōu)點已被廣泛應用于各種電子器件制造，如傳感器、顯示器晶體管(TFT)、邏輯電路、存儲器等。因此，本發(fā)明結合鉛筆材料與印刷技術的優(yōu)點制備出一種低檢測限、專一選擇性、快速響應和恢復特性、高靈敏度和室溫工作的感元件。
[0004]中國專利CN104181209A公開了一種二氧化氮氣體傳感器及其制備方法，涉及傳感器技術領域。該二氧化氮氣體傳感器，包括上表面設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構，在覆膜叉指電極結構表面沉積有聚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。該專利由于采用氣噴成膜工藝沉積還原氧化石墨烯和N-甲基吡咯薄膜，油墨中含有大量的液態(tài)添加劑，沉積后殘留的溶劑需要通過蒸發(fā)去除，操作和處理比較復雜。另夕卜，采用的二氧化硅或硅是硬質襯底限制了其在柔性電子器件中的應用，使用的氣敏材料為還原的氧化石墨烯，需要復雜的化學合成過程。除此之外，該專利中采用聚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，這種結構雖然提高了對NO2氣體的選擇性，但是不利于NO 2與還原氧化石墨烯氣敏材料的直接接觸，會大大降低傳感器對NO2氣體的靈敏度，尤其會大大增加傳感器的響應和恢復時間。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種鉛筆繪制式NO2傳感元件及其制作方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0007]—種鉛筆繪制式NO2傳感元件，由梳狀導電叉指電極、NO 2傳感薄膜和絕緣紙襯底組成，
[0008]所述的梳狀導電叉指電極印制在絕緣紙襯底上，
[0009]所述的NO2傳感薄膜經(jīng)鉛筆繪制在絕緣紙襯底上設置的梳狀導電叉指電極位置，由于機械摩擦可以形成金屬參雜的NO2傳感層，通過檢測薄膜電流值變化實現(xiàn)對NO 2氣體濃度的檢測。
[0010]優(yōu)選的，顯2傳感薄膜由含有石墨的鉛筆繪制得到，覆蓋在梳狀導電叉指電極的上表面，這樣，梳狀導電叉指電極、鉛筆繪制的NO2傳感薄膜位于絕緣紙襯底的同側。
[0011]優(yōu)選的，絕緣紙襯底包括稱量紙、復寫紙、銅版紙、宣紙或裝飾用紙。
[0012]優(yōu)選的，梳狀導電叉指電極采用金屬銀、鈀、鉑或金制作得到。
[0013]優(yōu)選的，梳狀導電叉指電極經(jīng)凹版印刷、絲網(wǎng)印刷或噴墨打印的方法印制在絕緣紙襯底上。
[0014]鉛筆繪制式NOdf感元件的制作方法，采用以下步驟:
[0015]A.對絕緣紙襯底進行表面處理，例如，可以對絕緣紙襯底的表面進行紫外光照射、臭氧照射或氧等離子刻蝕處理；
[0016]B.采用印刷技術，在絕緣紙襯底上印制梳狀導電叉指電極，然后在50°C的溫度下干燥15-30分鐘進行干燥燒結；
[0017]C.用鉛筆在帶有梳狀叉指電極(I)的絕緣紙襯底(3)上繪制傳感薄膜，使傳感薄膜層完全覆蓋在梳狀導電叉指電極表面上，得到鉛筆繪制式感元件。
[0018]在制備叉指電極時首先采用紫外或臭氧照射、氧等離子刻蝕方法對紙襯底做表面處理，使襯底與導電油墨具有良好的匹配性，從而確保獲得最佳的印刷效果。在設計電阻式傳感器件時，雖然傳感材料本身也可以作為電極直接測量傳感元件敏感特性，但是使用金屬電極有以下兩個原因:一、可以有效的降低傳感層電阻，從而提高傳感層信噪比并降低了檢測功耗；二、當鉛筆在帶有叉指電極的紙襯底上繪制傳感層時，由于機械摩擦可以形成金屬參雜的NO2傳感層，這不僅提高了 NO 2傳感層的靈敏度，而且對氣體吸附脫附過程起到了催化作用，縮短了氣體響應和恢復時間。本發(fā)明結合鉛筆材料與印刷技術的優(yōu)點制備出一種低檢測限、專一選擇性、快速響應和恢復特性、高靈敏度和室溫工作的感元件。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明基于梳狀導電叉指電極和鉛筆繪制層的NO2傳感元件在室溫條件下對低濃度NO2檢測具有專一選擇性、快速響應和恢復特性、高靈敏度的優(yōu)點。具體參數(shù)如下:測試范圍0.5-5ppm，靈敏度(歸一化電流值)1.57-8.34，響應時間(11秒，恢復時間< 25秒，電路電壓< 5VDC，工作條件為室溫，濕度范圍< 85%;鉛筆繪制式NO2傳感元件設計科學、電氣性能穩(wěn)定，可實時、準確、連續(xù)、有效地監(jiān)測環(huán)境中的低濃度NO2;鉛筆繪制式NO2傳感元件工藝簡單、操作方便，工藝參數(shù)易于控制、制作過程中無污染，傳感薄膜材料容易獲取、成本低、電氣性能穩(wěn)定，具有小型化、輕薄化和低能耗的特點。
【附圖說明】
[0020]圖1為制作得到的傳感元件的結構示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的鉛筆繪制式NO2傳感元件不同樣品的電阻值；
[0022]圖3為本發(fā)明的鉛筆繪制式NO2傳感元件在室溫下對0.5，I, 2，3，4，5ppmN0 2的氣敏特性；
[0023]圖4為本發(fā)明鉛筆繪制式NO2傳感元件的響應值與N