可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器制造技术

本实用新型专利技术为可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器。本实用新型专利技术包括绝缘区域、电极区域、银涂层区域与气敏区域，所述绝缘区域设置于底端，所述电极区域与所述气敏区域设置于绝缘区域上表面，所述银涂层区域设置于电极区域两端的电极连接区域，所述电极区域与气敏区域为通过激光的高能量一步诱导制备的具有更大孔隙率结构的三维多孔石墨烯图案。该传感器利于NO2气体分子快速脱附，提高传感器使用重复性，降低制造成本，制造周期短，灵敏度高，检测限可以达到10ppb，在环境监测和医疗诊断方面有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器
本技术涉及传感器领域，具体涉及一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器的制备方法。
技术介绍
二氧化氮(NO2)是一种易挥发有刺激性的有毒气体。根据国家标准《工作场所有害因素职业接触限值(GBZ2-2007)》规定，人体NO2接触限值为5mg/m3(2.54PPM)。即使人体暴露于二氧化氮的时间很短，肺功能也会受到损害；如果长时间暴露于二氧化氮，呼吸道感染的机会就会增加，而且可能导致肺部永久性器质性病变。人体呼出气冷凝液中也含有NO2，并且通过研究发现呼出气冷凝液中NO2浓度越高，支气管哮喘急性发作几率越高。因此，一种具有高灵敏度、柔性、低检测限的NO2气体传感器是目前环境监测和医疗诊断行业迫切需要的，且有助于实现NO2的高可靠实时监控。石墨烯具有优异的化学和物理性质，三维多孔结构的石墨烯，以其高比表面积，高电子迁移率以及机械稳定性在气体传感器方面发挥着巨大的优势。激光诱导石墨烯(LaserInducedGraphene，LIG)是利用激光的高能量破坏原碳源的结构，形成短链碳或者无定形碳，之后在基底表面进行二维重构，形成三维多孔石墨烯薄膜，这种技术可同时一步实现三维石墨烯材料的原位制备和高精度图案化组装，而不需要湿化学步骤，制造过程简便、材料形貌可控。大多数高灵敏度气体传感器在室温工作时响应小，响应/恢复过程慢，需要升温加速气体分子的吸附和解吸过程，因此需要配置额外的微型加热器。本技术设计的气体传感器可实现自加热功能，大大提升了气体传感器的灵敏度与恢复速度，实现低功耗快速气体传感。
技术实现思路
本技术的目的是，提供一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器，该传感器能提高NO2气体检测灵敏度；杠铃型石墨烯结构更利于传感器阵列，紫外激光(UltravioletLaser，UV)获得的气敏区域线宽更细，便于自加热效应。为实现上述目的，本技术采用以下技术方案：一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器，包括绝缘区域、电极区域、银涂层区域和气敏区域，所述绝缘区域设置于底端，所述电极区域设置于所述绝缘区域上表面，电极区域上左右两端设置有激光诱导石墨烯形成的两个电极连接区域，两个电极连接区域通过激光诱导石墨烯形成的单线石墨烯连接在一起；单线石墨烯所在区域即为气敏区域，在电极连接区域上表面涂覆银涂层，形成银涂层区域；单线石墨烯的宽度为40-100μm，两个电极连接区域及单线石墨烯构成杠铃型结构。进一步的，所述绝缘区域为矩形结构的具有高电阻率的柔性基底PDMS。进一步的，电极连接区域为正方形、长方形、圆形、或其他不规则的长宽比接近0.5-1.5的任意形状。进一步的，所述气敏区域为单线结构，气敏区域4长度为1cm—1.5cm，宽度一般为40μm—80μm。NO2气体传感器具有柔性可拉伸基底，可采用为PDMS等具有柔性，能弯曲、拉伸，沿待粘贴对象表面贴合的材料。与现有技术相比，本技术基于激光诱导石墨烯技术制备的传感器具有以下优点：1)本技术传感器对NO2的检测范围相对较宽(图5)，可以满足空气质量监测和呼气检测的要求，并且传感器的最低检测限可以达到10ppb(人体NO2接触限值为2.54ppm)，自加热功能极大的提高了NO2气体分子的脱附速度，加快了气体的响应/恢复速度。2)本技术传感器受LIG比表面积和自加热温度两个因素共同影响，集成了自加热功能(图3)，简化了器件结构，降低了器件工作能耗，提高了气体响应灵敏度，提升了气体响应/恢复速度。传感器使用柔性基底成本低廉，并且可以穿戴在人体的身上或衣物上，用于所处环境检测。3)综上，本技术可进行高精度NO2检测，简化工艺，此外，相比现有传感器的制备更加容易、便捷、快速，且无需其他二维材料的添加即可达到较高的灵敏度和检测限，工艺过程简单、制作成本低可实现ppb级别的最低检测限，在未来传感器市场尤其是环境监测和医疗诊断方面有很广泛的应用前景。附图说明图1为本技术柔性NO2气体传感器的结构示意图；图2为本技术柔性NO2气体传感器的俯视结构示意图；图3为本技术不同电流下LIG电极自加热升温的温度空间分布，实施例1中在20，40，60，80摄氏度下分别进行气敏响应，在40℃下气敏响应最佳；图4为本技术制备的柔性气体传感器气敏区域4在40℃下对0.8ppmNO2的响应曲线；图5为本技术制备的柔性气体传感器气敏区域4在40℃下对不同浓度NO2的响应曲线。附图标记说明：1、绝缘区域；2、电极区域；3、银涂层区域；4、气敏区域。具体实施方式为了更加详细的说明本技术的一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器，下面结合附图以及实施例对本技术做详细说明。如图1所示，一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器的结构示意图，包括绝缘区域1，电极区域2，银涂层区域3和气敏区域4，所述绝缘区域1设置于底端，所述电极区域2设置于所述绝缘区域1上表面，电极区域2的两端设置电极连接区域，两个电极连接区域之间通过气敏区域4连接，在电极连接区域上表面设置所述银涂层区域3，其中气敏区域4既做为两个电极连接区域的桥梁又直接做气敏区域，银涂层区域仅仅是在电极区域2两端上表面填涂，所述电极区域2两端的电极连接区域(电极连接区域就是图1中2所指的两个正方形)长度和宽度都为0.5cm—1.5cm的正方形结构，所述气敏区域4长度为1cm—1.5cm，宽度为40μm—90μm。所述绝缘区域1为具有高电阻率的商用柔性基底PDMS，所述电极区域2和气敏区域4为经高能量激光诱导PI薄膜产生的三维多孔石墨烯图案，PI胶带是一种良好的碳前体且成本低廉，在激光诱导下可产生具有三维结构的石墨烯，有利于NO2气体分子的附着，并且可以降低接触电阻，所述银涂层区域3为导电银墨水涂覆制备。石墨烯为P型半导体，当气敏区域4在氧化性气体NO2环境中会引起P型半导体电导率增大，电阻减小，用于NO2气体的检测，当NO2气体传感器回归于正常空气环境下阻值恢复。下面给出一种可行的传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚酰亚胺(Polyimide，PI)胶带裁剪成适当尺寸(以完全覆盖步骤(2)中载玻片表面为佳)的矩形形状；(2)通过水溶胶(比如常见的含有PVA(聚乙烯醇)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、CMC(羧甲基纤维素钠)，低模数的硅酸钠和阳离子阿拉伯胶等成份的水溶性胶都可以，再次溶解于水并快速失去黏结性能)将经步骤(1)得到的PI胶带粘至载玻片表面；(3)将经步骤(2)得到的PI胶带利用高能量激光诱导出三维石墨烯图案，其中两端正方形石墨烯图案为电极连接区域，单线石墨烯区域既做电极连接区域的桥梁又做气敏区域；所述激光为波长355nm的VU激光器，高能量激光参数为：激光功率1.0-1.5W，离焦距离4.5-5.5mm，扫描速度70-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器，包括绝缘区域、电极区域、银涂层区域和气敏区域，所述绝缘区域设置于底端，所述电极区域设置于所述绝缘区域上表面，电极区域上左右两端设置有激光诱导石墨烯形成的两个电极连接区域，在电极连接区域上表面涂覆银涂层，形成银涂层区域，其特征在于：/n两个电极连接区域通过激光诱导石墨烯形成的单线石墨烯连接在一起；单线石墨烯所在区域直接为气敏区域；单线石墨烯的宽度为40-100μm；两个电极连接区域及单线石墨烯构成杠铃型结构。/n

【技术特征摘要】
20200619 CN 20201056880131.一种可自加热的激光诱导石墨烯柔性NO2气体传感器，包括绝缘区域、电极区域、银涂层区域和气敏区域，所述绝缘区域设置于底端，所述电极区域设置于所述绝缘区域上表面，电极区域上左右两端设置有激光诱导石墨烯形成的两个电极连接区域，在电极连接区域上表面涂覆银涂层，形成银涂层区域，其特征在于：
两个电极连接区域通过激光诱导石墨烯形成的单线石墨烯连接在一起；单线石墨烯所在区域直接为气敏区域；单线石墨烯的宽度为40-...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽，郑广浩，姬华东，王宏丽，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津;12