[发明专利]一种基于可打印微米线阵列敏感层的柔性气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于可打印锗酸锌微米线阵列敏感层的柔性气体传感器及其制备方法，属于柔性电阻式气体传感器技术领域。本发明所述的传感器是以锗酸锌微米线阵列作为器件的敏感层，将锗酸锌微米线阵列直接打印在柔性聚二甲酸乙二醇酯衬底表面，微米线与微米线间距为100～300μm、微米线直径范围为8～12μm，然后利用表面沉积法在锗酸锌微米线阵列的两端沉积与微米线阵列径向垂直的两个彼此分立的纳米线电极，电极之间间距为10～80μm，电极厚度为80～150nm，形成柔性电阻式气体传感器。本发明具有制备方法简单环保、成本低的特点，微米线阵列具有好的一维结构，有利于电子传输，进而提高器件性能，可广泛应用在可穿戴电子领域。

技术领域

本发明属于柔性电阻式气体传感器技术领域，具体涉及一种基于可打印锗酸锌(Zn₂GeO₄)微米线阵列敏感层的柔性气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，环境污染问题日趋严峻，随之而来的一系列问题，包括如何评估环境对人体健康的影响、如何监测监控有毒有害气体、如何处理及吸收有毒有害气体已经成为了一个世界范围内的重要课题。传统的基于刚性硅基衬底气体传感器，虽然准确度高，但由于刚性衬底不适用于不同表面的物体，限制了其应用的广泛性。然而，随着智能可穿戴设备的快速发展，柔性电子已经越来越多渗透到我们的日常生活中。基于柔性衬底的气体传感器，兼具了低成本、可弯曲、便携轻便、可实现批量化生产等特点，使其广泛适用于环境监测、公众安全监测、医疗健康监控、食品安全监管、农业林业管理等多种不同应用场景。柔性气体传感器的研究在现阶段已成为气体传感器研究领域的热门。

目前，大多数柔性气体传感器的制备主要是通过旋涂法或溅射沉积法将敏感层沉积在衬底表面，该方法形成的敏感层与衬底之间的粘附作用力相对较差，导致器件在测试中个异性差别较大。因此迫切需要发明一种可打印的柔性气体传感器应用在可穿戴领域。华东师范大学张健等人(传感技术学报，2018，31，502-506)开发了一种基于喷墨打印技术的柔性丙酮气体传感器，在室温下对丙酮的灵敏度约为2.0。此外，所得到的气体传感器在室温下的响应恢复时间分别为87s和56s。然而，这些可打印的柔性气体传感器虽然具有制造工艺简单、制造成本低、无额外设备或特殊环境需求、小尺寸等优点，但也存在着响应恢复时间慢、无法精准实现对有毒有害气体的快速监测等缺点。

为此，需要发明出一种既具有低成本，工艺简单可大规模生产，又同时具有高灵敏、快响应、可实时监测的可穿戴的柔性气体传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可打印锗酸锌(Zn₂GeO₄)微米线阵列敏感层的柔性气体传感器及其制备方法。

本发明所述的传感器是以传统的金属氧化物半导体锗酸锌(Zn₂GeO₄)微米线阵列作为器件的敏感层，将锗酸锌(Zn₂GeO₄)微米线阵列直接打印在柔性聚二甲酸乙二醇酯(PI)衬底表面，然后利用表面沉积法在锗酸锌(Zn₂GeO₄)微米线阵列的两端沉积与微米线阵列径向垂直的两个彼此分立的电极，电极之间间距为10～80μm，电极厚度为80～150nm，形成柔性电阻式气体传感器。如图1所示，锗酸锌(Zn₂GeO₄)微米线阵列通过识别目标气体分子表现为自身的电阻变化，进而应用于有毒有害气体的监测。

为了实现上述目的，本发明设计一种基于可打印微米线阵列的柔性电阻式气体传感器，由下至上依次由柔性衬底，在柔性沉底上直接打印的微米线阵列、在微米线阵列的两端沉积的与微米线阵列径向垂直的两个彼此分立的电极组成；其特征在于：微米线阵列为金属氧化物锗酸锌(Zn₂GeO₄)材料，其微米线直径范围为8～12μm，微米线与微米线间距为100～300μm。