專利名稱：一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電導(dǎo)型傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于檢測(cè)的敏感薄膜結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電導(dǎo)型傳感技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用并具有較好的未來(lái)前景。作為氣體傳感器，敏感膜的電阻會(huì)隨著被測(cè)物質(zhì)的濃度而變化，因此，理論上，只要檢測(cè)出電阻變化，即可獲得被測(cè)物質(zhì)的濃度信息。電導(dǎo)型敏感膜的檢測(cè)機(jī)理分為以下兩種1、半導(dǎo)體或類似材料的敏感膜吸附、吸收氧化性或還原性的被測(cè)物質(zhì)，其表面被注入了空穴或電子，改變了其自身的電導(dǎo)率，解析的時(shí)候被測(cè)物質(zhì)離開(kāi)敏感膜，之前被注入的空穴或電子隨之離開(kāi)，電導(dǎo)率恢復(fù)到初始值；2、敏感材料自身不導(dǎo)電，但敏感膜內(nèi)摻雜有導(dǎo)電顆粒從而可以導(dǎo)電，當(dāng)敏感材料吸 附、吸收了被測(cè)物質(zhì)，自身體積發(fā)生膨脹，使得導(dǎo)電顆粒之間的間距被拉開(kāi)，敏感膜電導(dǎo)率下降，解析的時(shí)候被測(cè)物質(zhì)離開(kāi)敏感膜，敏感膜體積收縮，電導(dǎo)率上升。本發(fā)明主要針對(duì)的是第2種機(jī)理。一個(gè)理想的傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)具有一個(gè)穩(wěn)定的基線，以第2種機(jī)理為例，吸附了被測(cè)物質(zhì)，敏感膜電阻增大，解析之后，敏感膜電阻回到之前的初始值。理論上說(shuō)，第2種機(jī)理不易受敏感材料自身?xiàng)l件的約束，可檢測(cè)的物質(zhì)范圍更廣，比第I種機(jī)理的應(yīng)用范圍更廣，前景更好。但是目前實(shí)用化的不多，其主要原因是敏感膜電阻無(wú)法保持一個(gè)穩(wěn)定的基線，解析之后只能恢復(fù)到一半的響應(yīng)值。其原因是，敏感膜的體積在一個(gè)吸附解析的周期內(nèi)經(jīng)歷了膨脹和收縮，導(dǎo)電顆粒的位置在基板表面的法線方向上發(fā)生了移動(dòng)，若導(dǎo)電顆粒比最初時(shí)更接近于基板表面，則基線(薄膜電阻)下降；遠(yuǎn)離基板表面，則基線上升。同時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)膜的響應(yīng)值偏小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是如何改善摻有導(dǎo)電顆粒的不導(dǎo)電敏感薄膜氣敏傳感器響應(yīng)基線漂移的問(wèn)題和傳感器響應(yīng)值偏小的問(wèn)題。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，包括基板和設(shè)置在基板上的叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括設(shè)置在叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)上且與叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)平行的敏感膜三層結(jié)構(gòu)，所述三層結(jié)構(gòu)包括自上而下次序依次為第一不導(dǎo)電敏感材料層、導(dǎo)電顆粒層和第二不導(dǎo)電敏感材料層。所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于，導(dǎo)電顆粒層有以下兩種方式中的一種構(gòu)成a、由單純的導(dǎo)電顆粒組成；b、由不導(dǎo)電材料包裹導(dǎo)電顆粒而成。所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于不導(dǎo)電敏感材料層對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)具有吸附或者吸收的能力，并且本身不導(dǎo)電。所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述不導(dǎo)電敏感材料層和導(dǎo)電顆粒層的單層厚度范圍均在O-IOOum之內(nèi)。所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于不導(dǎo)電敏感材料層，材料包括不導(dǎo)電的聚合物或有機(jī)小分子材料。
所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于導(dǎo)電顆粒層包括金屬顆粒、金屬納米顆粒、碳黑、碳納米顆粒、石墨烯、導(dǎo)電聚合物纖維、導(dǎo)電聚合物顆?；蛘邔?dǎo)電聚合物納米顆粒。所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)電顆粒層中可用于包裹導(dǎo)電顆粒的不導(dǎo)電敏感材料有，不導(dǎo)電的聚合物、有機(jī)小分子材料。所述一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述敏感膜三層結(jié)構(gòu)采用沉積工藝制作，所述沉積工藝制作包括旋涂、噴霧、真空熱蒸發(fā)、磁控濺射、PECVD, CVD,自組裝、LB、分子外延。本發(fā)明有益的效果是，在穩(wěn)定基線的同時(shí)增大三維響應(yīng)。


圖I為一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)的示意圖，其中1、不導(dǎo)電敏感材料層，2、導(dǎo)電顆粒層，3、叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)，4、基板。圖2為實(shí)驗(yàn)采用的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)膜對(duì)不同濃度甲苯的響應(yīng)曲線圖。圖3為本發(fā)明采用的三層結(jié)構(gòu)膜對(duì)不同濃度甲苯的響應(yīng)曲線圖。圖4為三層結(jié)構(gòu)膜和雙層結(jié)構(gòu)膜對(duì)不同濃度甲苯的響應(yīng)曲線對(duì)比圖。圖5為叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)不意圖,其中5、電極,6、基片,7、引線。
具體實(shí)施例方式為了改善如何改善摻有導(dǎo)電顆粒的不導(dǎo)電敏感薄膜氣敏傳感器響應(yīng)基線漂移的問(wèn)題和傳感器響應(yīng)值偏小的問(wèn)題，我們將敏感膜分為三層，不導(dǎo)電的敏感材料和導(dǎo)電顆粒分別置于不同的層中(三層結(jié)構(gòu)為上下兩層不導(dǎo)電的敏感材料，中間一層導(dǎo)電顆粒)，這樣導(dǎo)電顆粒只可能在所在層中移動(dòng)，杜絕了在基板表面的法線方向上移動(dòng)的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分層的敏感膜具有一個(gè)穩(wěn)定的基線。但是上述的兩層和三層結(jié)構(gòu)對(duì)相同濃度的被測(cè)物質(zhì)的響應(yīng)值要小于在不導(dǎo)電的敏感材料內(nèi)摻雜導(dǎo)電顆粒的復(fù)合膜，這是由于吸附被測(cè)物質(zhì)，敏感材料發(fā)生膨脹，層狀結(jié)構(gòu)只是在層的平面二維方向上拉開(kāi)導(dǎo)電顆粒的距離，而復(fù)合膜在三維方向上拉開(kāi)導(dǎo)電顆粒的距離。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)膜的響應(yīng)值要大于雙層結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)需要，如圖I :在基板4上制備叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)3 (叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)如圖5所示，它是一種常用的叉指電極結(jié)構(gòu))，交替沉積不導(dǎo)電敏感材料層I、導(dǎo)電顆粒層2及不導(dǎo)電敏感材料層1，導(dǎo)電顆粒層2置于不導(dǎo)電敏感材料I之間。如圖2，敏感材料自身不導(dǎo)電，但敏感膜內(nèi)摻雜有導(dǎo)電顆粒從而可以電導(dǎo)，當(dāng)敏感材料吸附、吸收了被測(cè)物質(zhì)，自身體積發(fā)生膨脹，使得導(dǎo)電顆粒之間的間距被拉開(kāi)，敏感膜電導(dǎo)率下降，解析的時(shí)候被測(cè)物質(zhì)離開(kāi)敏感膜，敏感膜體積收縮，電導(dǎo)率上升。一個(gè)理想的傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)具有一個(gè)穩(wěn)定的基線，如前所述為例，吸附了被測(cè)物質(zhì)，敏感膜電阻增大，解析之后，敏感膜電阻回到之前的初始值。理論上說(shuō)，如前所述機(jī)理不易受敏感材料自身?xiàng)l件的約束，可檢測(cè)的物質(zhì)范圍更廣，比技術(shù)背景中提到的第I種機(jī)理的應(yīng)用范圍更廣，前景更好。但是目前實(shí)用化的不多，其主要原因是敏感膜電阻無(wú)法保持一個(gè)穩(wěn)定的基線，解析之后只能恢復(fù)到一半的響應(yīng)值。如圖3電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)膜對(duì)不同濃度的甲苯的響應(yīng)曲線圖，它能保證敏感膜電阻保持一個(gè)穩(wěn)定的基線，解析之后都能恢復(fù)到初始的響應(yīng)值。如圖4電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)膜和雙層結(jié)構(gòu)膜對(duì)不同濃度甲苯的響應(yīng)曲線對(duì)比圖，相比三層結(jié)構(gòu)膜和雙層結(jié)構(gòu)膜對(duì)不同濃度甲苯解析之后恢復(fù)到初始的響應(yīng)值特征，相比之下，三層結(jié)構(gòu)膜更能精確的恢復(fù)到初始的響應(yīng)值，設(shè)計(jì)更合理，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本發(fā)明所提供的傳感器的制備方法如下 實(shí)施例
如圖I所示，在硅基板上制備40mm寬度和間距的金叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)，之后使用氣噴霧技術(shù)，在基板表面交替沉積PEO敏感膜和多壁碳納米管膜。待敏感膜內(nèi)部殘余溶劑揮發(fā)完之后，即獲得三層ΡΕ0、碳納米管電導(dǎo)型傳感器。該傳感器對(duì)甲苯蒸汽的最低檢測(cè)極限達(dá)O. 2ppm,并具有較好的基線。
權(quán)利要求
1.一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，包括基板和設(shè)置在基板上的叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括設(shè)置在叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)上且與叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)平行的敏感膜三層結(jié)構(gòu)，所述三層結(jié)構(gòu)包括自上而下次序依次為第一不導(dǎo)電敏感材料層、導(dǎo)電顆粒層和第二不導(dǎo)電敏感材料層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于，導(dǎo)電顆粒層有以下兩種方式中的一種構(gòu)成a、由單純的導(dǎo)電顆粒組成；b、由不導(dǎo)電敏感材料包裹導(dǎo)電顆粒而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于不導(dǎo)電敏感材料層對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)具有吸附或者吸收的能力，并且本身不導(dǎo)電。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述不導(dǎo)電敏感材料層和導(dǎo)電顆粒層的單層厚度范圍均在O-IOOum之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于不導(dǎo)電敏感材料層，材料包括不導(dǎo)電電導(dǎo)的聚合物或有機(jī)小分子材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于導(dǎo)電顆粒層包括金屬顆粒、金屬納米顆粒、碳黑、碳納米顆粒、石墨烯、導(dǎo)電聚合物纖維、導(dǎo)電聚合物顆?；蛘邔?dǎo)電聚合物納米顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述ー種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)電顆粒層的不導(dǎo)電敏感材料包括不導(dǎo)電的聚合物、有機(jī)小分子材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，一種電導(dǎo)型敏感膜三層結(jié)構(gòu)，包括基板和設(shè)置在基板上的叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括設(shè)置在叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)上且與叉指電極傳感功能結(jié)構(gòu)平行的敏感膜三層結(jié)構(gòu)，所述三層結(jié)構(gòu)包括自上而下次序依次為第一不導(dǎo)電敏感材料層、導(dǎo)電顆粒層和第二不導(dǎo)電敏感材料層。主要用于電導(dǎo)型傳感器。
文檔編號(hào)G01N27/30GK102621200SQ20121006072
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者周泳, 太惠玲, 廖劍, 朱濤, 杜曉松, 蔣亞?wèn)|, 謝光忠 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)