专利名称：聚吡咯气敏元件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种聚吡咯气敏元件及其制作方法。
背景技术：
氨气是一种无色有毒气体，过高浓度可能诱发人体疾病或死亡，其检测对 环境质量监控、工业、农业以及制药行业等都有重要意义。这对于氨气气体传 感器提出了较高的要求，同时也为其发展提供了广阔的前景。目前常用的气体 传感器主要有无机半导体气体传感器和有机高分子气体传感器两大类。相比于 需要加热在高温下进行检测的无机陶瓷材料气体传感器，高分子气体传感器可 以在室温下实现对于气体浓度的检测，具有高效节能的特点，而且响应重现性 好。此外，高分子气体传感器还具有体积小、灵敏度、 一致性好、价格低廉等 优点，因此基于高分子材料的氨气气体传感器有望成为一种新型高性能的气体 传感器，其研究也正受到关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在室温下检测较宽浓度范围内氨气，且具有 响应可逆性好，灵敏度高，响应较快的聚吡咯气敏元件及其制作方法。
本发明的聚吡咯气敏元件具有陶瓷基片，在陶瓷基片表面光刻和蒸发有多 对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在陶瓷基片和叉指金电极表面依 次涂敷有聚二甲基二烯丙基氯化铵修饰膜和聚苯乙烯磺酸钠修饰膜，在聚苯乙 烯磺酸钠修饰膜表面涂覆有聚吡咯气敏薄膜。
聚吡咯气敏元件的制作方法，包括以下步骤
1) 清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；
2) 分别配制重量百分浓度为1~5%的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液和重 量百分浓度1~5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液；
3) 在含有三氯化铁和对甲苯磺酸的水溶液中加入吡咯单体溶液并搅拌
2~30 min，滤纸过滤，得到前驱体溶液，其中以重量百分浓度计，三氯化铁为 0.02~0.2%，对甲苯磺酸为0.4~2%，吡咯为0.1-0.3%;
4) 将步骤l)的陶瓷基片叉指金电极依次浸渍于聚二甲基二烯丙基氯化铵水 溶液和聚苯乙烯磺酸钠水溶液中各10 30min，每次浸渍结束后将陶瓷基片叉指 金电极用去离子水漂洗10 40s,用氮气流吹干；随后将陶瓷基片叉指金电极浸 渍于步骤3)制备的前驱体溶液中15-120 min，取出用去离子水漂洗，再经氮气
流干燥，得到聚吡咯气敏元件。
本发明的陶瓷基片表面的叉指金电极有8~16对，叉指金电极的叉指宽度为 20-200 pm，叉指间隙为20-200 |im。
本发明的优点是
1) 所制得的聚吡咯气敏元件是通过溶液原位生长的方法，在涂敷有聚电解 质修饰膜的陶瓷基片和叉指金电极表面沉积聚吡咯气敏薄膜得到的，由此解决 了聚吡咯难以加工成膜的难题，并且不受基片大小与形状的限制；通过溶液生 长的方法制得的聚吡咯薄膜不仅成膜均匀，而且能够良好地附着于陶瓷基片和 叉指金电极表面，膜厚度也易于控制；
2) 所制得的聚吡咯气敏元件，在陶瓷基片和叉指金电极表面依次涂敷有聚 聚二甲基二烯丙基氯化铵和聚苯乙烯磺酸钠修饰膜，修饰膜的引入一方面可以 吸附溶液中的氧化剂、掺杂剂，诱导在修饰膜表面吡咯单体的聚合，形成均匀 的聚吡咯气敏膜，另一方面也有助于聚吡咯气敏膜与电极和基底之间的接触， 降低接触电阻，提高气敏元件的稳定性；
3) 采用溶液生长制备聚吡咯薄膜时，采用对甲苯磺酸为掺杂剂，其引入提 高了聚吡咯气敏薄膜的稳定性；
4) 采用溶液聚合方法制备聚吡咯，可方便地通过改变聚合时间、前驱体溶 液的组成等溶液聚合条件实现对于气敏元件响应特性的调控；
5) 制得的聚吡咯气敏元件，在室温下对氨气有较高的响应灵敏度；
6) 所制得的聚吡咯气敏元件对各种有机蒸汽的响应远小于同浓度的氨气， 其对氨气的响应具有一定的选择性；
7) 采用溶液原位生长的方法制备气敏元件，简便易行，成品率高， 一致性 好，适于批量生产；
8) 本发明的气敏元件具有体积小，成本低，使用方便等优点，可广泛应用 于工业生产、环境监测中对于氨气的测量与控制。
图1是本发明的气敏元件的结构示意图； 图2是本发明的气敏元件的聚吡咯敏感膜的扫描电镜照片； 图3是本发明的气敏元件对不同浓度氨气的响应回复曲线； 图4是本发明的气敏元件对氨气的响应灵敏度曲线； 图5是本发明的气敏元件对氨气的循环响应曲线。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
参照图l，本发明的聚吡咯气敏元件具有陶瓷基片l，在陶瓷基片表面光刻
和蒸发有多对叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线3，在陶瓷基片和叉指 金电极表面依次涂敷有聚二甲基二烯丙基氯化铵修饰膜4和聚苯乙烯磺酸钠修 饰膜5，在聚苯乙烯磺酸钠修饰膜表面涂覆有聚吡咯气敏薄膜6。
所说的陶瓷基片表面的叉指金电极有8~16对，叉指金电极的宽度为20-200 叉指间隙为20 200ium。
实施例1:
1) 清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；
2) 分别配制重量百分浓度为1%的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液和重量 百分浓度5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液；
3) 在含有三氯化铁和对甲苯磺酸的水溶液中加入吡咯单体溶液并搅拌2 min，滤纸过滤，得到前驱体溶液，其中以重量百分浓度计，三氯化铁为0.02%， 对甲苯磺酸为0.4%，吡咯为0.1%;
4) 采用浸涂机将步骤l)的陶瓷基片叉指金电极依次浸渍于聚二甲基二烯丙 基氯化铵水溶液和聚苯乙烯磺酸钠水溶液中各10 min，每次浸渍结束后将陶瓷 基片叉指金电极用去离子水漂洗10s,用氮气流吹干；随后将陶瓷基片叉指金电 极浸渍于步骤3)制备的前驱体溶液中15min,取出用去离子水漂洗，再经氮气 流干燥即得到聚吡咯气敏元件。
实施例2:
1) 清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；
2) 分别配制重量百分浓度为5%的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液和重量 百分浓度1%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液；
3) 在含有三氯化铁和对甲苯磺酸的水溶液中加入吡咯单体溶液并搅拌20 min，滤纸过滤，得到前驱体溶液，其中以重量百分浓度计，三氯化铁为0.2%， 对甲苯磺酸为2%，吡咯为0.3%;
4) 采用浸涂机将步骤l)的陶瓷基片叉指金电极依次浸渍于聚二甲基二烯丙 基氯化铵水溶液和聚苯乙烯磺酸钠水溶液中各20 min，每次浸渍结束后将陶瓷 基片叉指金电极用去离子水漂洗40s，用氮气流吹干；随后将陶瓷基片叉指金电 极浸渍于步骤3)制备的前驱体溶液中60min，取出用去离子水漂洗，再经氮气 流干燥即得到聚吡咯气敏元件。
实施例3:
1) 清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；
2) 分别配制重量百分浓度为2%的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液和重量 百分浓度2%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液；
3) 在含有三氯化铁和对甲苯磺酸的水溶液中加入吡咯单体溶液并搅拌15 min,滤纸过滤，得到前驱体溶液，其中以重量百分浓度计，三氯化铁为0.05%， 对甲苯磺酸为0.5%，吡咯为0.15%;
4) 采用浸涂机将步骤l)的陶瓷基片叉指金电极依次浸渍于聚二甲基二烯丙 基氯化铵水溶液和聚苯乙烯磺酸钠水溶液中各20 min，每次浸渍结束后将陶瓷 基片叉指金电极用去离子水漂洗20s，用氮气流吹干；随后将陶瓷基片叉指金电 极浸渍于步骤3)制备的前驱体溶液中30min，取出用去离子水漂洗，再经氮气 流干燥即得到聚吡咯气敏元件。
气敏元件的聚吡咯敏感膜的扫描电镜照片，如图2所示。
图3所示为制得的聚吡咯气敏元件对不同浓度氨气的响应回复曲线；由图 可见，气敏元件对氨气有很高的响应灵敏度，且响应回复较好。
图4所示为制得的聚吡咯气敏元件对氨气的响应灵敏度曲线，由图可见， 聚吡咯气敏元件在整个测量浓度范围，对于氨气表现出较高的响应灵敏度。
图5所示为制得的聚吡咯气敏元件对低浓度氨气的循环响应曲线，由图可 见，聚吡咯气敏元件对氨气的响应可逆性和重复性较好。
权利要求
1.聚吡咯气敏元件，其特征在于它具有陶瓷基片(1)，在陶瓷基片表面光刻和蒸发有多对叉指金电极(2)，在叉指金电极上连接有引线(3)，在陶瓷基片和叉指金电极表面依次涂敷有聚二甲基二烯丙基氯化铵修饰膜(4)和聚苯乙烯磺酸钠修饰膜(5)，在聚苯乙烯磺酸钠修饰膜表面涂覆有聚吡咯气敏薄膜(6)。
2. 根据权利要求1所述的聚吡咯气敏元件，其特征在于陶瓷基片表面的叉指 金电极有8 16对，叉指金电极的叉指宽度为20 200 ium，叉指间隙为20-200 pm。
3. 根据权利要求1所述的聚吡咯气敏元件的制作方法，其特征在于步骤如下1) 清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；2) 分别配制重量百分浓度为1 5%的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液和重 量百分浓度1~5%的聚苯乙烯磺酸钠水溶液；3) 在含有三氯化铁和对甲苯磺酸的水溶液中加入吡咯单体溶液并搅拌2~30 min，滤纸过滤，得到前驱体溶液，其中以重量百分浓度计，三氯化铁为 0.02~0.2%，对甲苯磺酸为0.4~2%，吡咯为0.1~0.3%;4) 将步骤l)的陶瓷基片叉指金电极依次浸渍于聚二甲基二烯丙基氯化铵水 溶液和聚苯乙烯磺酸钠水溶液中各10 30min，每次浸渍结束后将陶瓷基片叉指 金电极用去离子水漂洗10 40s，用氮气流吹干；随后将陶瓷基片叉指金电极浸 渍于步骤3)制备的前驱体溶液中15 120min，取出用去离子水漂洗，再经氮气 流干燥，得到聚吡咯气敏元件。
4. 根据权利要求3所述聚吡咯气敏元件的制作方法，其特征在于所说的叉指 金电极的叉指宽度为20~200 imi，叉指间隙为20-200 pm。
全文摘要
本发明公开了一种聚吡咯气敏元件及其制作方法。它是以陶瓷玻璃为基片，其上有多对叉指金电极，在陶瓷基片和叉指金电极表面依次沉积聚二甲基二烯丙基氯化铵和聚苯乙烯磺酸钠修饰膜，在修饰膜上沉积聚吡咯气敏膜，通过修饰膜使得聚吡咯与基片和电极表面接触良好。本发明制备工艺简单，成本低，尤其适用于批量生产。所制备的气敏元件可用于室温条件下测量氨气浓度，且具有对氨气响应具有灵敏度高，回复性佳，响应快等特点，可用于工业、农业生产以及环境监测中的氨气检测。
文档编号G01N27/00GK101354367SQ20081012055
公开日2009年1月28日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者扬 李, 杨慕杰, 陈友汜 申请人:浙江大学