TW201830009A - 氣體感測器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種氣體感測器，包括：基板、輸出層、感測層以及奈米多孔聚合物膜。輸出層配置於基板上。感測層配置於輸出層上。奈米多孔聚合物膜配置於感測層上。
Description
本發明是有關於一種氣體感測器及其製造方法，且特別是有關於一種具有奈米多孔聚合物膜的氣體感測器及其製造方法。
習知的氣體感測器藉由在感測層上設置具有微孔道的材料，以使尺寸小於微孔道的氣體分子通過微孔道，而與感測層接觸。反之，尺寸大於微孔道的氣體分子則無法通過微孔道，故其無法接觸感測層。
然而，習知具有微孔道的材料為陽極氧化鋁。由於陽極氧化鋁為金屬氧化物材料，其與感測層的貼合度不足，因而易造成氣體感測器耐用度不足的問題。
本發明提供一種氣體感測器及其製造方法，具有極佳的耐用度與功能表現。
本發明提供一種氣體感測器，包括：基板、輸出層、感測層以及奈米多孔聚合物膜。輸出層配置於基板上。感測層配置於輸出層上。奈米多孔聚合物膜配置於感測層上。
在本發明的一實施例中，上述的奈米多孔聚合物膜的孔洞的直徑為0.2奈米至20奈米。
在本發明的一實施例中，上述的奈米多孔聚合物膜的厚度為0.05微米至150微米。
在本發明的一實施例中，上述的奈米多孔聚合物膜的材料包括全氟磺酸聚合物、奈米纖維素或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的奈米多孔聚合物膜包括離子型結構。
在本發明的一實施例中，上述的輸出層包括電極。
在本發明的一實施例中，上述的基板的表面包括平面、粗糙面、曲面或其組合。
本發明亦提供一種氣體感測器的製造方法，包括：形成輸出層於基板上；形成感測層於所述輸出層上；以及形成奈米多孔聚合物膜於所述感測層上。
在本發明的一實施例中，上述的形成輸出層、形成感測層以及形成奈米多孔聚合物膜的步驟所採用的方法包括三維列印。
在本發明的一實施例中，上述的形成奈米多孔聚合物膜的步驟的方法包括進行溶液製程。
基於上述，本發明的奈米多孔聚合物膜中具有微小的孔洞，選擇性地讓較小的分子通過，並將較大的分子阻擋在外。此外，奈米多孔聚合物膜位於氣體感測器的感測層上，可提供感測層較佳的保護。因此，本發明的氣體感測器具有極佳的耐用度與功能表現。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是本發明一實施例的氣體感測器的示意圖。請參照圖1，氣體感測器100包括：基板102以及由下而上設置的輸出層104、感測層106以及奈米多孔聚合物膜（nanoporous polymer film）108。氣體分子通過奈米多孔聚合物膜108之後，與下方的感測層106作用，改變感測層106的電阻。輸出層104接收感測層106的物理特性（例如電阻、電容或阻抗）改變所產生的訊號，再依據所偵測的訊號，可以得知感測層106的電阻變化量，進而得知所偵測得的氣體分子的種類、組成或含量。
基板102的表面可以是平面、非平面或其組合。平面可以是平滑表面或是粗糙面。非平面可以是凸曲面、凹曲面、雙凹曲面或雙凸曲面。在基板102為具有非平面的表面的實施例中，氣體感測器100可被設置在非平面的位置或主體上，因而具有更寬廣的應用範圍。基板102可以是可撓材料或剛性材料。基板102的材料例如是玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯（poly(ethylene terephthalate)，PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Naphthalate；PEN）、聚醯亞胺（Polyimide；PI）、聚氯乙烯（PolyVinyl Chloride；PVC）、聚丙烯（Polypropylene；PP）、環狀烯烴聚合物（cycloolefin polymer；COP）、聚乙烯（polyethylene；PE）或其組合。
輸出層104配置於基板102上。輸出層104能對感測層106的物理特性（例如電阻、電容或阻抗）進行量測。在一些實施例中，輸出層104可以是包括電極、開關（例如是薄膜電晶體、雙極性電晶體（BJT）、二極體）或其組合。在輸出層104可以是電極的實施例中，電極可以接收訊號，傳送到偵測裝置。
本發明並不特別限制輸出層104的組成構件與構形，只要輸出層104能對感測層106的物理特性（例如電阻、電容或阻抗）進行量測，便涵蓋於本發明的範疇之中。在一些實施例中，輸出層104具有間隙。圖2是本發明一實施例的氣體感測器的剖面示意圖。請參照圖2，輸出層104具有間隙，可使感測層106被配置於輸出層104的間隙之中。藉由此，輸出層104與感測層106之間可以有更高的接觸面積，使輸出層104與感測層106之間的訊號強度可以被提高，以增加氣體感測器的靈敏度。在本實施例中，輸出層104例如是指叉式電極。在輸出層104為指叉式電極的實施例中，指叉式電極具有主體部以及多個延伸部，其中主體部沿一方向延伸，而延伸部沿另一方向延伸。可在指叉式電極上選擇兩端點，在兩端點之間的距離為已知的情況下，藉由量測指叉式電極的兩端點之間的物理特性（例如電阻、電容或阻抗）變化來得知感測層106的電阻變化量，進而得知待測氣體的種類、組成或含量。在圖2中，感測層106填滿輸出層104的間隙，但本發明不以此為限。在其他實施例中，感測層106亦可以只填入輸出層104的部分間隙中，而未填滿間隙，以降低本發明的氣體感測器的製造過程困難度。輸出層104包括導體材料。導體材料可以是金屬、金屬合金。輸出層104也可以是IV族元素或或其他種類的材料。輸出層104的材料例如是碳粉、碳奈米管、石墨烯、還原態氧化石墨烯、金、鉑、銀、銅或鋁。
感測層106配置於輸出層104上。感測層106可對不同種類的氣體分子進行感測。更具體地說，感測層106可以吸附一種氣體或多種氣體，而使其電阻值改變。換言之，感測層106相當於可變電阻，藉由吸附氣體而改變其電阻。
在一些實施例中，感測層106可以感測的氣體包括NO2
、NH3
、H2
、CO、H2
O、乙醇、SO2
、CH4
、H2
S、O2
、NO、C2
H2
、苯、O3
、Cl2
、甲醇、丙酮或其組合。
感測層106的感測材料可以是IV族元素或其氧化物，例如是矽或碳。碳可以是奈米碳管或石墨烯。碳的氧化物可以是氧化石墨烯（graphene oxide）。感測層106的感測材料亦可以是金屬氧化物，例如是氧化鋅、二氧化錫、氧化銦、三氧化鎢、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化二鐵或其組合。在其他實施例中，感測層106的感測材料亦可以是金屬，例如是金金屬團簇（Au cluster）。如表1所示，依據選擇的感測材料的不同，感測層106可對不同種類的氣體分子進行感測。 表1
奈米多孔聚合物膜108中的孔洞的大小可以依照需要而調整。換言之，奈米多孔聚合物膜108中的孔洞的大小可以決定能夠通過奈米多孔聚合物膜108的待測氣體的種類。在一些實施例中，奈米多孔聚合物膜108中具有微小的孔洞，選擇性的讓較小的分子通過，並將較大的分子阻擋在外。舉例而言，水、甲醇、乙醇等較小的分子可以通過孔洞，而體積較大的干擾物質則被排除在外。藉由調整奈米多孔聚合物膜108中的孔洞的大小，而決定能夠通過奈米多孔聚合物膜108的待測氣體的種類。因此，奈米多孔聚合物膜108可提供感測層106較佳的保護與選擇性，增加氣體感測器100的耐用度與功能表現。奈米多孔聚合物膜108的材料例如是全氟磺酸聚合物（perfluoro sulfonic acid polymer）、奈米纖維素、醋酸纖維素（cellulose acetate）、聚碸（polysulfone）、聚乙烯胺（polyvinylamine）、聚醯胺（polyamide）、聚呋喃（polyfuran）或其組合。
奈米多孔聚合物膜108的孔洞的直徑例如是0.2奈米至20奈米。若奈米多孔聚合物膜108的孔洞直徑過大，則奈米多孔聚合物膜108的選擇性不佳。若奈米多孔聚合物膜108的孔洞直徑過小，則待測氣體分子無法通過奈米多孔聚合物膜108以被偵測。奈米多孔聚合物膜108具有適當大小的孔洞，使氣體感測器100具有較佳的功能表現。
在一些實施例中，奈米多孔聚合物膜108的厚度為0.05微米至150微米。若奈米多孔聚合物膜108的厚度過厚，則待測氣體分子較難穿透奈米多孔聚合物膜108以被偵測。若奈米多孔聚合物膜108的厚度過薄，則奈米多孔聚合物膜108無法提供氣體感測器100足夠的保護與選擇性。奈米多孔聚合物膜108具有適當的厚度，使氣體感測器100具有較佳的功能表現。
在一些實施例中，奈米多孔聚合物膜108包括離子型結構。奈米多孔聚合物膜108上可具有離子型的官能基，使奈米多孔聚合物膜108具有離子型結構。具有離子型結構的奈米多孔聚合物膜108帶有電荷，可產生靜電排斥力，增加奈米多孔聚合物膜108的選擇性。在一些示範實施例中，奈米多孔聚合物膜108上具有的離子型的官能基帶正電，奈米多孔聚合物膜108為具有正電型的離子型結構。具有正電型的離子型結構的奈米多孔聚合物膜108可對帶有正電荷的分子產生排斥力，增加奈米多孔聚合物膜108的選擇性。在另一些示範實施例中，奈米多孔聚合物膜108上具有的離子型的官能基帶負電，奈米多孔聚合物膜108為具有負電型的離子型結構。具有負電型的離子型結構的奈米多孔聚合物膜108可對帶有負電荷的分子產生排斥力，增加奈米多孔聚合物膜108的選擇性。在本實施例中，奈米多孔聚合物膜108的材料例如是全氟磺酸聚合物，全氟磺酸聚合物例如是Nafion®。Nafion®具有疏水型的骨架與正離子型的末端，故Nafion®可形成具有正電型的離子型結構的奈米多孔聚合物膜。但本發明不以此為限，奈米多孔聚合物膜亦可藉由其他適當的材料形成。在一些實施例中，奈米多孔聚合物膜108中的孔洞由離子型結構形成。但本發明不以此為限，奈米多孔聚合物膜中的孔洞亦可藉由其他適當的結構形成。
圖3是本發明一實施例的氣體感測器的製造方法的流程圖。請參照圖3與圖1，在步驟S100中，形成輸出層104於基板102上。在步驟S102中，形成感測層106於輸出層104上。在步驟S104中，形成奈米多孔聚合物膜108於感測層106上。
上述的氣體感測器100可以以單一種機台來完成。在一些實施例中，形成輸出層104、形成感測層106、形成奈米多孔聚合物膜108的步驟包括三維列印。詳細來說，形成輸出層104的步驟包括將輸出層104的材料噴塗在基板102上。形成感測層106的步驟包括將感測層106的材料噴塗在輸出層104上。形成奈米多孔聚合物膜108的步驟包括將奈米多孔聚合物膜108的材料噴塗在感測層106上。藉由三維列印的方式形成本發明的氣體感測器，可以直接列印出所需要的圖案，而不需要透過微影與蝕刻等製成，省略習知的半導體製程所需的繁瑣步驟。此外，更可避免在形成上層的結構時，對已形成的下層結構造成的破壞。再者，藉由三維列印的方式形成本發明的氣體感測器100，在形成各構件時，僅需更換形成不同構件所需要的墨水。因此，不會造成不同材料之間交叉汙染的問題。
與傳統的微影製程不同，三維列印對於基板102表面的構形有較高的自由度，可將材料形成於具有各種構形的表面上。因此，本發明的氣體感測器100的基板102可以是具有平面或非平面的表面。平面可以是平滑表面或是粗糙面。非平面可以是凸曲面、凹曲面、雙凹曲面或雙凸曲面。具有非平面的表面的基板102的氣體感測器100可被設置在非平面的位置或主體上，因而具有更寬廣的應用範圍。
在一些實施例中，形成奈米多孔聚合物膜的步驟包括三維列印及烘烤。詳細來說，奈米多孔聚合物膜的材料被噴塗在感測層上後，再接著進行烘烤的步驟。烘烤的步驟可使奈米多孔聚合物膜的結構更加穩定，增加氣體感測器的耐用度。在本實施例中，奈米多孔聚合物膜的材料例如是奈米纖維素。但本發明不以此為限，奈米多孔聚合物膜亦可藉由其他適當的材料形成。
在一些實施例中，形成奈米多孔聚合物膜的步驟亦可以包括溶液製程。藉由溶液製程的方式形成使奈米多孔聚合物膜，可使奈米多孔聚合物膜與位於下方的膜層有更佳的貼合度，以提供氣體感測器更佳的保護。在本實施例中，奈米多孔聚合物膜的材料例如是全氟磺酸聚合物（perfluoro sulfonic acid polymer film），全氟磺酸聚合物例如是Nafion®。但本發明不以此為限，奈米多孔聚合物膜亦可藉由其他適當的材料形成。
在一些實施例中，形成奈米多孔聚合物膜的步驟亦可以包括薄膜製程。在本實施例中，奈米多孔聚合物膜的材料例如是醋酸纖維素（cellulose acetate）、聚碸（polysulfone）、聚乙烯胺（polyvinylamine）、聚醯胺（polyamide）、聚呋喃（polyfuran）或其組合。
綜上所述，本發明的奈米多孔聚合物膜中具有微小的孔洞，選擇性地讓較小的分子通過，並將較大的分子阻擋在外。此外，奈米多孔聚合物膜位於氣體感測器的感測層上，可提供感測層較佳的保護。因此，本發明的氣體感測器具有極佳的耐用度與功能表現。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧氣體感測器
102‧‧‧基板
104‧‧‧輸出層
106‧‧‧感測層
108‧‧‧奈米多孔聚合物膜
S100、S102、S104‧‧‧步驟
圖1是本發明一實施例的氣體感測器的示意圖。 圖2是本發明一實施例的氣體感測器的剖面示意圖。 圖3是本發明一實施例的氣體感測器的製造方法的流程圖。
Claims (10)
- 一種氣體感測器，包括： 基板； 輸出層，配置於所述基板上； 感測層，配置於所述輸出層上；以及 奈米多孔聚合物膜，配置於所述感測層上。
- 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測器，其中所述奈米多孔聚合物膜的孔洞的直徑為0.2奈米至20奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測器，其中所述奈米多孔聚合物膜的厚度為0.05微米至150微米。
- 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測器，其中所述奈米多孔聚合物膜的材料包括全氟磺酸聚合物、奈米纖維素或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測器，其中所述奈米多孔聚合物膜包括離子型結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測器，其中所述輸出層包括電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測器，其中所述基板的表面包括平面、粗糙面、曲面或其組合。
- 一種氣體感測器的製造方法，包括： 形成輸出層於基板上； 形成感測層於所述輸出層上；以及 形成奈米多孔聚合物膜於所述感測層上。
- 如申請專利範圍第8項所述的氣體感測器的製造方法，其中所述形成輸出層、形成感測層以及形成奈米多孔聚合物膜的步驟所採用的方法包括三維列印。
- 如申請專利範圍第8項所述的氣體感測器的製造方法，其中所述形成奈米多孔聚合物膜的步驟的方法包括進行溶液製程。
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|---|---|---|---|
| TW106103611A TWI644100B (zh) | 2017-02-03 | 2017-02-03 | 氣體感測器及其製造方法 |
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2017
- 2017-02-03 TW TW106103611A patent/TWI644100B/zh active
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