一种气体传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种气体传感器阵列及其制备方法，该气体传感器阵列包括基底和形成在所述基底上的一组电阻式气体传感器，阵列中的各个气体传感器包括由设置在所述基底上的图形化的石墨烯薄膜形成的气敏电阻和覆盖在所述石墨烯薄膜上的聚合物薄膜，所述基底上具有图形化的金属电极阵列，所述金属电极阵列构成各气体敏感电阻的导电引线，其中各个气体传感器的聚合物薄膜的薄膜种类和/或薄膜厚度不同。本发明专利技术能显著提高气体传感器在检测ppb级VOCs时存在的灵敏度和选择性。

Gas sensor array and preparation method thereof

The invention discloses a gas sensor array and a preparation method thereof, the gas sensor array includes a substrate and form a resistance type gas sensor on the substrate, each gas sensor array includes gas sensing resistance formed by a set of graphene films on the substrate of the graphic and polymer film covered on the graphene film on the metal electrode array with patterned on the substrate, the metal electrode array consisting of conductive leads each gas sensitive resistor, wherein each film type polymer thin film gas sensor and / or different film thickness. The invention can remarkably improve the sensitivity and selectivity of the gas sensor when detecting the ppb grade VOCs.

【技术实现步骤摘要】
一种气体传感器阵列及其制备方法
本专利技术涉及一种气体传感器阵列及其制备方法。
技术介绍
气体检测的应用需求越来越大，无论是环境中气体污染物的检测，还是用于疾病分析的呼出气检测，都需要小巧便携且易用使用的高灵敏度气体传感器。尤其是呼出气检测，其中作为人身体健康状况生物指示物的挥发性有机物(VOC)的浓度极低，通常在ppb级。而且多组组分互为干扰，对气体传感器的灵敏度和选择性都提出了很高的要求。应用最为成熟的气体传感器是半导体电阻式传感器，通常采用金属氧化物作为气敏材料，能实现对特定气体的快速响应、高灵敏度的测量。这类型传感器也适合应用MEMS技术，可以低成本大批量制造超小型的气体传感器。但其工作温度在200～600℃，需包含一个加热器对其加热，使得传感器的功耗较大，而且增加了安全隐患，在高温下不稳定或容易变性的聚合物材料也不能使用了。石墨烯是一种是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。当气体分子吸附在石墨烯表面时，会改变石墨烯的功函数，影响石墨烯的电性能。因此石墨烯可作为高灵敏度气体传感器的敏感材料。呼出气检测往往会选择多种生物标志物，故需要区分多种VOCs，并测定其相应的浓度。测量也不可避免要面临多种VOCs及水汽的相互干扰。通常，这就需要多个选择性有差异的气体传感器构成阵列，并结合模式识别的方法区分各种气体。聚合物对不同VOCs的选择性不同，这已在质量敏感型的气体传感器中得到了验证。不同种类VOCs在聚合物中溶解度的差异，扩散速度的不同，会使得覆盖上聚合物膜后的气体传感器的响应差异化，增强其对VOCs的选择性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种气体传感器阵列及其制备方法,解决现有气体传感器在检测ppb级VOCs时存在的灵敏度和选择性不够的问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种气体传感器阵列，包括基底和形成在所述基底上的一组电阻式气体传感器，阵列中的各个气体传感器包括由设置在所述基底上的图形化的石墨烯薄膜形成的气敏电阻和覆盖在所述石墨烯薄膜上的聚合物薄膜，所述基底上具有图形化的金属电极阵列，所述金属电极阵列构成各气体敏感电阻的导电引线，其中各个气体传感器的聚合物薄膜的薄膜种类和/或薄膜厚度不同。进一步地：所述石墨烯薄膜为单层石墨烯或多层石墨烯。各个气体传感器的聚合物薄膜为聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)、聚吡咯(PPy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚氨脂(PU)、B型环氧树脂(AEB)、R型环氧树脂(AER)中的任一种或多种。所述聚合物薄膜厚度不大于10微米。所述金属电极为叉指式电极或螺旋式电极，电极材料为金、银、铂或铝。一种制备所述的气体传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：(1)在基底上加工出图形化的金属电极阵列，用作各个电阻式气体传感器的导电引线；(2)将石墨烯薄膜转移到基底上，并使石墨烯薄膜图形化，形成阵列中的各个气敏电阻；(3)在石墨烯薄膜上覆盖聚合物薄膜，其中各个气体传感器的聚合物薄膜的薄膜种类和/或薄膜厚度不同。进一步地：步骤(1)中，通过光刻剥离(lift-off)工艺在基底上加工出图形化的金属电极阵列。步骤(2)中，通过化学气相沉积(CVD)工艺制备石墨烯薄膜再转移到基底上，并通过等离子体刻蚀使基底上的石墨烯图形化。步骤(2)中，通过化学气相沉积在铜箔上形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上旋涂上一层PMMA，然后将覆盖有石墨烯薄膜和PMMA薄膜的铜箔放入合适的腐蚀液中腐蚀掉铜箔，得到漂浮在溶液表面的PMMA/石墨烯薄膜，取出PMMA/石墨烯薄膜，清洗后，黏贴到基底，再用有机溶剂溶解去除PMMA。步骤(3)中，通过喷墨打印工艺将聚合物打印在各个气体传感器的石墨烯薄膜上，不同传感器打印的聚合物不同，打印次数不大于20次，干燥后使打印材料中的溶剂蒸发，得到聚合物薄膜。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种石墨烯和聚合物复合膜气体传感器阵列及其制备方法，该气体传感器阵列可在常温下气体中含有目标VOCs的种类和浓度高低，响应恢复速度快且灵敏度高，能在已有工艺基础上大批量生产，尺寸小，测量电路简单，可与载有模式识别算法的微处理器构成电子鼻系统，具有良好的应用前景。和现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)石墨烯的二维平面结构使其具有极大的比表面积，能容纳大量的气体分子吸附在石墨烯表面。同时石墨烯具备低电噪声的特性。石墨烯作为敏感材料能赋予气体传感器极高的灵敏度。(2)聚合物因其分子链的状态，支链功能团的不同，对不同气体分子有不同的溶解度。不同气体在聚合物上的吸附率，在聚合物中的渗透速率都会表现出差异性，这种差异性赋予气体传感器选择性。(3)基于MEMS工艺加工，能在微小的尺度下制作出紧凑的气体传感器阵列，更适合于极低浓度的气体检测，且传感器阵列可与外围电路集成在一颗芯片上，传感器信号易于提取测量。大规模的气体传感器阵列加工也成为可能。(4)喷墨打印方式能实现对阵列中各个传感器的敏感层实施差异化加工，打印材料的种类和打印厚度都可调。附图说明图1为本专利技术实施例1的螺旋式石墨烯/聚合物薄膜电阻气体传感器阵列示意图；图2为本专利技术实施例2的叉指式石墨烯/聚合物薄膜电阻气体传感器阵列示意图；图3为本专利技术实施例的传感器敏感区域示意图。附图标记说明：1为传感器引线键合盘，2为电极引出端，3为传感器敏感区域，3-1为石墨烯，3-2为聚合物薄膜。具体实施方式以下对本专利技术的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。参阅图1至图3，在一种实施例中，一种气体传感器阵列，包括基底和形成在所述基底上的一组电阻式气体传感器，阵列中的各个气体传感器包括由设置在所述基底上的图形化的石墨烯薄膜3-1形成的气敏电阻和覆盖在所述石墨烯薄膜3-1上的聚合物薄膜3-2，所述基底上具有图形化的金属电极阵列，所述金属电极阵列构成各气体敏感电阻的导电引线，其中各个气体传感器的聚合物薄膜3-2的薄膜种类和/或薄膜厚度不同。这种MEMS气体传感器阵列能作为电子鼻的感知元件，结合模式识别算法识别极低浓度的VOCs，具有灵敏度高、对多种VOCs存在交叉选择性、易于加工、体积微小，易于集成化等优点。在各种不同的实施例中，所述石墨烯薄膜3-1可以为单层石墨烯或多层石墨烯。在各种不同的实施例中，各个气体传感器的聚合物薄膜3-2为聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)、聚吡咯(PPy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚氨脂(PU)、B型环氧树脂(AEB)、R型环氧树脂(AER)中的任一种或多种。在优选的实施例中，所述聚合物薄膜3-2厚度不大于10微米。在优选的实施例中，所述金属电极为叉指式电极或螺旋式电极，电极材料为金、银、铂或铝。在另一种实施例中，一种制备所述的气体传感器阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体传感器阵列，其特征在于,包括基底和形成在所述基底上的一组电阻式气体传感器，阵列中的各个气体传感器包括由设置在所述基底上的图形化的石墨烯薄膜形成的气敏电阻和覆盖在所述石墨烯薄膜上的聚合物薄膜，所述基底上具有图形化的金属电极阵列，所述金属电极阵列构成各气体敏感电阻的导电引线，其中各个气体传感器的聚合物薄膜的薄膜种类和/或薄膜厚度不同。

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器阵列，其特征在于,包括基底和形成在所述基底上的一组电阻式气体传感器，阵列中的各个气体传感器包括由设置在所述基底上的图形化的石墨烯薄膜形成的气敏电阻和覆盖在所述石墨烯薄膜上的聚合物薄膜，所述基底上具有图形化的金属电极阵列，所述金属电极阵列构成各气体敏感电阻的导电引线，其中各个气体传感器的聚合物薄膜的薄膜种类和/或薄膜厚度不同。2.如权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于,所述石墨烯薄膜为单层石墨烯或多层石墨烯。3.如权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于,各个气体传感器的聚合物薄膜为聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)、聚吡咯(PPy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚氨脂(PU)、B型环氧树脂(AEB)、R型环氧树脂(AER)中的任一种或多种。4.如权利要求1至3任一项所述的气体传感器阵列，其特征在于,所述聚合物薄膜厚度不大于10微米。5.如权利要求1至4任一项所述的气体传感器阵列，其特征在于,所述金属电极为叉指式电极或螺旋式电极，电极材料为金、银、铂或铝。6.一种制备如权利要求1至5任一项所述的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)在基底上加工出图形化的金属电极阵列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：董瑛，杨拓宇，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44