[發明專利]氣體傳感器及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910720998.5
• 申請日: 2019-08-06
• 公開（公告）號: CN110297027B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 劉林;秦素潔;張珽;王穎異
• 申請（專利權）人: 西交利物浦大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 蘇州謹和知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32295
• 代理人: 葉棟

本發明涉及一種多孔高分子薄膜、氣體傳感器及其制備方法和應用，該氣體傳感器的制備方法包括以下步驟：S1、提供襯底，在所述襯底上旋涂光刻膠，采用自上而下的方法依次通過曝光、顯影和去殘膠在所述襯底上形成光刻圖案，再通過蒸鍍或磁控濺射制備所述金屬電極陣列，以得到芯片襯底；S2、在所述芯片襯底上組裝多孔高分子薄膜，在所述多孔高分子薄膜上自下而上原位生長氣體敏感材料；S3、除去所述高分子薄膜，在100～500℃、惰性氣氛或還原性氣氛下進行退火，得到所述氣體傳感器。其結合“自上而下”和“自下而上”的方法，能批量化、低成本、圖案化原位生長和制備氣體傳感器，提高器件的穩定性、一致性和可重復性性能。

技術領域

本發明涉及一種多孔高分子薄膜、氣體傳感器及其制備方法和應用，屬于氣體傳感器技術領域。

背景技術

伴隨著科技發展和生活水平的提高，在生產、生活中產生的有毒有害、易燃易爆氣體問題亟待解決。這些有毒有害、易燃易爆氣體排放量的增加，不僅加重環境污染，同時危害人們的身體健康和財產安全。針對上述問題，建立區域性甚至全國的實時、在線、動態空氣監測已經成功眾多國家政府所提倡的重點發展領域尤其是大氣環境有待改善的國家。它涉及材料學、微機電技術、納米技術、電路與系統、無線電傳輸以及傳感技術等多學科的綜合性技術。然而作為全覆蓋氣體檢測網絡最核心的部分—氣體傳感器，在滿足高靈敏度、快速響應等高性能的基礎上，如何改善材料與器件界面結合力，如何實現敏感材料低成本、批量化、圖案化的原位生長，以提高器件的穩定性、一致性和可重復性能等卻鮮有報道。

基于金屬氧化物半導體型的氣體傳感器，作為市場上應用最為廣泛的一種氣體傳感器，其檢測機理是當氣體分子吸附在敏感材料表面時，與敏感材料之間發生電荷轉移，并獲得可檢測的電學信號。目前，現有的金屬氧化物半導體基的氣體傳感器，主要是采用涂覆或者絲網印刷的方法將敏感材料與傳感器芯片電極上相結合。但由于涂覆和印刷過程中敏感材料與芯片電極的結合力較弱，敏感材料易團聚，以及敏感材料的均一性較差等問題，使得器件的穩定性、靈敏度、一致性和可重復性等性能有待考量。雖然，微加工技術(如濺射)也可以獲得良好的均一性和可重復性的金屬氧化物薄膜材料，但是與三維的納米結構材料相比，薄膜型的敏感材料往往具有較低的靈敏度，同時制備成本亦較高。因此，開發度低成本，高性能，優良的均一性和可重復性適用于大規模制備的方案具有非常重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多孔高分子薄膜、氣體傳感器及其制備方法和應用，其結合“自上而下”和“自下而上”的方法，能批量化、低成本、圖案化原位生長和制備氣體傳感器，提高器件的穩定性、一致性和可重復性性能。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

S1、提供襯底，在所述襯底上旋涂光刻膠，采用自上而下的方法依次通過曝光、顯影和去殘膠在所述襯底上形成光刻圖案，再通過蒸鍍或磁控濺射制備所述金屬電極陣列，以得到芯片襯底；

S2、在所述芯片襯底上組裝多孔高分子薄膜，在所述多孔高分子薄膜上自下而上原位生長氣體敏感材料；

S3、除去所述高分子薄膜，在100～500℃、惰性氣氛或還原性氣氛下進行退火，得到所述氣體傳感器。

進一步地，步驟S2中，組裝所述多孔高分子薄膜包括以下步驟：在所述芯片襯底上貼附感光干膜，利用光刻形成點陣圖案；在所述感光干膜表面上形成水膜，以覆蓋所述點陣圖案；通過添加高分子溶液在所述芯片襯底的表面上自組裝形成所述多孔高分子薄膜。

進一步地，在0～95℃下貼附所述感光干膜，所述感光干膜的厚度為5～200μm，所述點陣圖案的大小為10～2000μm。

進一步地，所述感光干膜為親水性材料，所述高分子溶液中的溶劑為比表面能低的疏水性溶劑。

進一步地，所述高分子溶液中的溶質選自高分子材料熱塑性彈性體、聚苯乙烯或聚乳酸中的一種或多種。