CN112903762A - 一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器 - Google Patents

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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器，涉及半导体气体传感器技术领域，包括：1)将石墨烯与二氧化锡纳米颗粒结合；2)形成三维石墨烯气溶胶；3)印刷电子工艺。本发明应用石墨烯实现了传感器能在室温下工作，提高了材料的热学稳定性，降低了器件耗能，杜绝了高温引燃监测环境中的易燃易爆气体的发生；同时利用印刷电子器件技术，传感涂层厚度被降到最低，有效地提高了传感器的灵敏度和响应/恢复时间；降低了器件材料成本与物理体积，提升了器件在物理冲击(弯曲、拉伸等)下的可靠性，同时能够有效的进行低成本大规模生产。

Description

一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器
技术领域
本发明涉及半导体气体传感器领域，尤其涉及一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器。
背景技术
一氧化碳是一种无色、无臭、无刺激性的气体，通常由含碳物质未完全燃烧的产生，或是液化气管道泄漏、工业生产煤气以及煤炭开采中产生，一氧化碳同时也是一种易燃易爆危险气体，与空气的混合***极限为12％～75％，此外，一氧化碳与血液中的血红蛋白结合，其亲和力比氧气与血红蛋白的亲和力大200多倍，当短时间内吸入过多一氧化碳时，会导致组织缺氧，产生中毒症状，严重时会导致神经***的严重损害甚至死亡。因此，在日常空气质量检测、危化品运输气体监测以及工业环境安全监测领域都需要检测监控一氧化碳气体的浓度。
传统的半导体式气体传感主要来源于吸附气体与传感材料之间的电子交换，当一氧化碳气体与二氧化锡纳米颗粒接触后，会给出一个电子，该电子会导致二氧化锡半导体材料能带变化，使得二氧化锡半导体材料电阻值产生变化。该做法提高了二氧化锡材料的整体孔隙率，为一氧化碳气体的吸附、脱附提供了更优良的通道。然而现有技术的气体传感器存在传感性能低、信号强度低(灵敏度低)、信号响应/恢复速度慢；并且使用耗能高，需要高温200-400摄氏度传感；材料寿命短，高温工况显著降低传感材料寿命。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器，提高传感性能，降低能耗，增加传感材料的寿命。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何解决气体传感器灵敏度低，需要在高温条件下工作所带来的能耗高、寿命缩短的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器制备工艺，包括：1)将石墨烯与二氧化锡纳米材料结合；2)形成三维石墨烯气溶胶；3)印刷电子工艺。
进一步地，所述步骤1)包括：通过使用无机化学合成手段，将石墨烯和二氧化锡纳米材料结合。
进一步地，所述石墨烯为二维材料。
进一步地，所述二氧化锡纳米材料通过高温高压水热法合成。
进一步地，所述步骤2)包括：将步骤1)的产物进行冷冻干燥，获得三维结构TrGO气溶胶。
进一步地，所述三维结构TrGO气溶胶的密度低，孔隙率大。
进一步地，所述步骤3)包括：采用印刷电子工艺将三维结构TrGO气溶胶印刷在传感器上形成传感材料涂层。
进一步地，所述传感材料涂层为500纳米。
进一步地，所述二氧化锡纳米颗粒的颗粒与石墨烯材料之间形成pn结。
进一步地，本发明提供了一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器，所述传感器由所述制备工艺制成。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：
1.本发明应用石墨烯实现了传感器能在室温下工作的性能。解决了传统一氧化碳气体传感器的工作温度大约在200摄氏度的弊端。提高了材料的热学稳定性，降低了器件耗能，杜绝了高温引燃监测环境中的易燃易爆气体的发生。
2.本发明利用印刷电子器件技术，传感涂层厚度被降到最低，有效地提高了传感器的灵敏度和响应/恢复时间；降低了器件材料成本与物理体积，提升了器件在物理冲击(弯曲、拉伸等)下的可靠性，同时能够有效的进行低成本大规模生产。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一氧化碳气体传感器的TrGO传感材料传感原理；
图2是本发明的一氧化碳气体传感器的TrGO传感材料示意图；
图3是本发明的一氧化碳气体传感器的pn结原理示意图；
图4是本发明的一氧化碳气体传感器的结构示意图；
其中：1-SnO2纳米颗粒；2-石墨烯；3-CO；4-底层聚酰亚胺柔性基底；5-表层TrGO传感材料层；6-高精度银电极。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图4所示，本发明实施例提供一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器，底层聚酰亚胺柔性基底4、表层聚氨酯涂层、高精度银电极6以及表层TrGO传感材料层5，表层TrGO传感材料层5提升了传感性能，主要原理如图1-3所示。
半导体式气体传感主要来源于吸附气体与传感材料之间的电子交换，当一氧化碳气体与二氧化锡纳米颗粒接触后，会给出一个电子，该电子会导致二氧化锡半导体材料能带变化，使得二氧化锡半导体材料电阻值产生变化。为了给一氧化碳和二氧化锡材料创造更好的接触环境，普遍使用的做法是利用高温高压水热法合成二氧化锡纳米颗粒。该做法提高了二氧化锡材料的整体孔隙率，为一氧化碳气体的吸附、脱附提供了更优良的通道。在二氧化锡纳米颗粒的基础上，使用石墨烯二维材料。石墨烯作为另一种广泛使用的半导体材料，当一氧化碳气体吸附/脱附在石墨烯表面时，同样会产生电子交换，从而引起电阻值变化。通过使用无机化学合成手段，将石墨烯和二氧化锡纳米材料结合，进一步提升了传感材料对于一氧化碳气体的响应强度。
在通过冷冻干燥上述无机化学合成工艺后的产物后，可以获得三维结构TrGO气溶胶。三维结构TrGO气溶胶密度极低，孔隙率大，进一步方便了一氧化碳气体与TrGO传感材料的吸附/脱附过程。
半导体电阻式气体传感器中，传感材料越薄，气体响应信号越强、响应速度越快。传统半导体电阻式气体传感器传感材料涂层厚度在5-10微米之间。通过印刷电子工艺，传感材料涂层达到500纳米，在传感材料颗粒之间接触良好的前提下，最大化降低了传感材料涂层厚度，以获得最高的气体响应信号和最快的响应速度。
传统二氧化锡纳米传感材料中，电子在二氧化锡纳米颗粒之间流通常常因为二氧化锡的半导体特性而受阻，因此为了实现传感过程，需要将材料加热到200-400摄氏度的最适宜温度。本实施例的TrGO传感材料传感原理如图3所示，半导体式气体传感主要来源于吸附气体与传感材料之间的电子交换，当一氧化碳气体与二氧化锡纳米颗粒接触后，会给出一个电子，该电子会导致二氧化锡半导体材料能带变化，使得二氧化锡半导体材料电阻值产生变化。将二氧化锡纳米颗粒装饰在石墨烯表面、形成TrGO传感材料后，二氧化锡从一氧化碳气体中获得的电子会进一步传导到石墨烯二维层上，此时，二氧化锡纳米颗粒与石墨烯材料之间会形成一个pn结，优化电子传输路径。同时，在石墨烯二维表层上电子流速极快，流通完全无障碍。电子会从电极一端，通过石墨烯二维表层顺利流通到电极另一端，无需任何热力学过程加速。使得传感材料实现了室温传感。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器制备工艺，其特征在于，包括：1)将石墨烯与二氧化锡纳米材料结合；2)形成三维石墨烯气溶胶；3)印刷电子工艺。
2.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤1)包括：通过使用无机化学合成手段，将石墨烯和二氧化锡纳米材料结合。
3.如权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，所述石墨烯为二维材料。
4.如权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，所述二氧化锡纳米材料通过高温高压水热法合成。
5.如权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤2)包括：将步骤1)的产物进行冷冻干燥，获得三维结构TrGO气溶胶。
6.如权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述三维结构TrGO气溶胶的密度低，孔隙率大。
7.如权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤3)包括：采用印刷电子工艺将三维结构TrGO气溶胶印刷在传感器上形成传感材料涂层。
8.如权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述传感材料涂层厚度为500纳米。
9.如权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述二氧化锡纳米材料的颗粒与所述石墨烯之间形成pn结。
10.一种基于石墨烯气溶胶材料的一氧化碳气体传感器，其特征在于，所述传感器由所述权利要求1-9的制备工艺制成。
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