导电聚合物氨气传感器件的制备工艺、特性及系统应用的研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:huangpei999
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氨气(ammonia,NH3)的检测或监控被广泛应用于工业生产、畜牧养殖、环境保护、医疗健康以及食品安全等领域。这些不同的应用在满足灵敏度、选择性和检测范围等基本性能要求的基础上,都需要传感器件能够被批量化、低成本生产,能够实现整个系统的便携化操作。面向物联网应用的发展需求,传感系统与物体的融合以及传感数据的采集与传输,对传感系统集成方式及功耗管理则提出了更多的挑战。导电聚合物分子结构多样、易于多功能化实现各类传感、可通过低成本溶液法/印刷工艺加工、兼容普适化的衬底材料,并具有优异的机械柔性等优势,是制备气体传感器件的理想材料,因此,被广泛应用于NH3传感。然而,为充分体现低成本的优势,如何基于导电聚合物材料,利用简单的印刷/涂布的加工工艺,制备具有高灵敏度的NH3传感器件,仍是一大挑战。本论文针对这些问题,以商业化的聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate),PEDOT:PSS)为基础,首先分别研究了以喷墨印刷制备的PEDOT:PSS线状微结构和旋涂工艺制备的PEDOT:PSS/银纳米线(silver nanowire,AgNW)复合薄膜作为敏感层,可以通过简单的加工工艺,实现具有较高灵敏度的柔性NH3传感器件,并对灵敏度提升的机制进行了分析。研究结果发现,相比于旋涂工艺制备的PEDOT:PSS的NH3传感器,基于微结构的PEDOT:PSS的NH3传感器呈现很低的检测极限(小于50 ppb)与较高的NH3响应(在2 ppm下电阻变化11.3%),同时对比边沿呈光滑直线的线形PEDOT:PSS,NH3响应度提高了3倍。相比于未掺杂的PEDOT:PSS器件对NH3的响应(在25 ppm下电阻变化3%)。基于PEDOT:PSS/AgNW(0.50 mg/mL)的复合导电薄膜的传感器对NH3的响应得到显著提高(25 ppm下电阻变化40%)。然后,通过添加二甲亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)以及与AgNW复合,获得了不同性能的PEDOT:PSS基薄膜,并作为敏感层制备了传感器件,研究了这些器件分别对NH3和相对湿度变化的响应特性和机制,实现了分别对NH3和相对湿度变化敏感的PEDOT:PSS基柔性传感器件;基于所研究的柔性PEDOT:PSS基NH3传感器件,设计与实现了手持式的NH3检测系统,能够在肉类食品开始变质的早期进行辨别;最后,将PEDOT:PSS基的NH3与湿度传感器件和近场通讯(near field communication,NFC)芯片集成,实现了能够与包装融合的柔性传感系统,可以在不拆除包装的情况下,通过智能手机的无线交互了解包装盒内肉类产品的质量。本论文的研究结果提供了设计与制备高灵敏度、抗环境湿度干扰的NH3传感器件的方法,构建与实现了NH3/湿度柔性传感系统,为肉类食品新鲜度的检测应用建立了理论与技术基础。
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