一种常温乙醇气体传感器的制作方法

本实用新型属于柔性电阻型气体传感器技术领域，具体涉及一种乙醇气体传感器。

背景技术：

随着工业化的飞速发展，人类在生产生活中产生了不同类型的气体，其中不乏一些有毒有害的气体。乙醇作为一种重要的有机溶剂，在工业、医药、纸巾、香水及化妆品的合成等方面有广泛的应用。同时，乙醇也是食物和药品的主要成分，一直以来，过度饮酒造成危及生命安全的事故屡见不鲜。因此，开发研制一种便携式乙醇传感器是十分有意义的。基于柔性气体传感器技术可任意移动、弯曲、压缩而保持良好的传感性能，可编制或组装在衣物、辅助设备或者日用品上，这样气体浓度的信息就可以不间断、随时随地地获取，使人们能够在饮酒后通过向可穿戴的乙醇气体传感器哈气，及时了解体内酒精的含量，预防酒驾，减少安全事故的发生，为安全驾驶提供可靠保障。

然而，现有的乙醇气体传感器还有两个缺点：1、现有传感器大多基于硅片、陶瓷灯等刚性基底，这类传感器普遍存在不可弯折、体积庞大等缺点，严重阻碍了气体传感器的可穿戴化进展；2、乙醇气体传感器的材料大多都基于金属氧化物，如二氧化锡等。虽然金属氧化物对乙醇的灵敏度较高，但是需要在高温条件下才能正常工作，这使得传感器还需要一个加热装置辅助其实现监测功能。加热装置既会使传感单元的体积变大，质量变重，而且高温装置不适合作为可穿戴的设备直接与人体接触。

此外，作为一个独立的可穿戴乙醇检测系统，除了需要传感单元，还需要信号采集处理与显示单元。为了实现可穿戴一体化的气体传感与显示功能，信号采集单元的电路板也需要具备体积小、柔性的特点。但是现有的可采集处理及传输传感器两端电流信号变化的电路板质量较重，体积也较大，难以满足可穿戴设备的需求。

为此，需要实用新型出一种既具有柔性、灵敏度高、响应速度快、稳定性良好等特性，同时又能够实时连续输出未知乙醇气体浓度的可穿戴常温气体传感器及原位检测系统。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题，提供了一种灵敏度高、响应速度快的柔性常温电阻型乙醇传感器及其在原位检测系统中的应用，用手机客户端对气体浓度进行实时监测。该器件利用一种多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料为传感器的敏感层，通过感知乙醇浓度的变化表现为自身电阻的变化，进而用于酒驾检测。

本实用新型通过如下技术方案实现：

一种常温乙醇气体传感器，包括：由基底、位于基底上的2个平行的电极及涂覆在2个平行电极中间的敏感材料组成，其中，所述的敏感材料为多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料。

进一步地，所述的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料，通过如下方法制备得到，具体步骤如下：

首先，将多壁碳纳米管与苯胺单体按照1：2的质量比加入到1M/L中高氯酸溶液中，0℃下搅拌30分钟；然后，向上述溶液中以体积比3:1滴加密度为6*10^-3kg/L的过硫酸铵溶液，将混合溶液在0℃条件下搅拌24小时，聚合后的聚苯胺纳米棒阵列均匀地生长在碳纳米管上；最后，将得到的多壁碳纳米管@聚苯胺纳米复合材料，分别用去离子水、甲醇和乙醇洗涤，洗涤之后的纳米材料在60℃真空干燥24小时。

进一步地，所述的多壁碳纳米管与苯胺单体的混合液与高氯酸溶液的体积比为1：5。

进一步地，所述的敏感材料的涂覆厚度为200nm-300nm。

进一步地，所述的电极为方形金电极。

进一步地，所述的基底为PET基底。

一种乙醇气体传感器在原位检测系统中的应用，所述的原位检测系统包括电源、本实用新型的常温乙醇气体传感器、信号过滤器、单片机、蓝牙及手机客户端；电源为传感器供电，采集常温乙醇气体传感器两边的电流信号，然后电流信号经过信号过滤器传输到单片机，信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端。

可将该乙醇气体传感器的原位检测系统器件封装在表带中，佩戴在被测试人的手腕处进行呼气，通过手机软件，能够准确的在手机中获得气体中乙醇的浓度与是否达到安全驾驶的标准，根据手机客户端的乙醇浓度显示值即可判断出驾驶者是否酒驾。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

1、本实用新型采用的敏感材料的制备方法简单、环保且成本低，整个制备过程均在低温下进行；

2、本实用新型的气体传感器可以对气态乙醇浓度进行常温监测；

3、本实用新型的气体传感器对乙醇的响应灵敏度高，常温响应速度快，器件稳定性良好；

4、本实用新型的气体传感器基底是柔性的，可提高可穿戴设备的舒适性；

5、本实用新型的气体传感器的原位检测系统可以做成手表手环佩戴在手腕上，并且信号数据可以在手机客户端上实时显示，对于个人酒驾实时检测提供了极大的便利条件。

附图说明

图1为本实用新型的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的SEM图；

图2为本实用新型的乙醇气体传感器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2的的乙醇气体传感器的原位检测系统的信号传输图；

图4为本实用新型实施例2的的乙醇气体传感器的原位检测系统的电路原理图；

图5为本实用新型实施例2的乙醇气体传感器对不同浓度乙醇的响应恢复曲线；

图6为本实用新型的乙醇气体传感器的原位检测系统的手机客户端界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步地说明。

实施例1

一种常温乙醇气体传感器，包括：由基底、位于基底上的2个平行的方形电极及涂覆在2个平行方形电极中间的敏感材料组成，其中，所述的敏感材料为多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料。

所述的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料，通过如下方法制备得到，具体步骤如下：首先，将多壁碳纳米管与苯胺单体按照1：2的质量比加入到1M/L中高氯酸溶液中，0℃下搅拌30分钟；然后，向上述溶液中以体积比3:1滴加密度为6*10^-3kg/L的过硫酸铵溶液，将混合溶液在0℃条件下搅拌24小时，聚合后的聚苯胺纳米棒阵列均匀地生长在碳纳米管上；最后，将得到的多壁碳纳米管@聚苯胺纳米复合材料，分别用去离子水、甲醇和乙醇洗涤，洗涤之后的纳米材料在60℃真空干燥24小时。

本实用新型的多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的SEM图如图1所示，当多壁碳纳米管与苯胺单体的质量比为1：2时，所得到的聚苯胺可以均匀的生长在多壁碳纳米管表面，如果多壁碳纳米管与苯胺单体的质量比大于1：2时，苯胺单体的减少会使得最终得到的复合材料表面的聚苯胺纳米线非常稀疏，反之，当质量比小于1：2时，聚苯胺会过量生长在多壁碳纳米管表面，甚至会大面积的团聚在一起，丧失了图1中所表现的形貌。

一种常温乙醇气体传感器的制备方法，具体如下：

首先，将柔性PET衬底在乙醇和去离子水中超声清洗，然后烘干。利用匀胶机旋涂一层光刻胶，转速为800转每分钟，时间为30秒。然后进行光刻，显影，显影结束之后，烘干PET塑料片，镀一层50纳米厚的金膜，最后将镀有金膜的PET放在丙酮中，去掉电极以外的金膜，得到干净完整的平行电极。

在光刻好的平行方形电极之间旋涂上多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料，组装成大小为1*0.5厘米柔性电阻型气体传感器。

实施例2

一种乙醇气体传感器的原位检测系统，包括电源、实施例1所述的常温乙醇气体传感器、信号过滤器、单片机、蓝牙及手机客户端；电源为传感器供电，采集常温乙醇气体传感器两边的电流信号，然后电流信号经过信号过滤器传输到单片机，信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端。

首先，将微型电源通过稳压源输出1伏的电压为传感器供电，然后传感器两边的电流信号经过信号过滤器传输到单片机，信号经过单片机处理后经蓝牙上传到手机客户端中，手机客户端对收到的信号与测试所得的标准曲线作对比，并绘出电流随气体变化的曲线图和对比所得的气体浓度的曲线。

乙醇气体传感器的性能测试：把气体传感器接到电化学工作站(辰华660)两边，然后将器件放置在一个密闭的罩子中，向罩子中注入不同浓度的乙醇气体，使器件的电阻发生变化，如图5所示。根据中国醉酒驾驶标准，如果乙醇浓度低于47ppm，将被视为安全驾驶。当乙醇浓度超过190ppm时，将被列为醉驾。酒后驾车的浓度在47ppm至190ppm之间。从图中可以看出，我们所制备的气体传感器的最高检测和最低检测范围为200ppm和1ppm，充分满足了酒驾检测的要求。

可将该乙醇气体传感器的原位检测系统器件封装在表带中，佩戴在被测试人的手腕处进行呼气，通过手机软件，能够准确的在手机中获得气体中乙醇的浓度与是否达到安全驾驶的标准，如图6所示，根据手机客户端的乙醇浓度显示值即可判断出驾驶者是否酒驾。

实施例3不同实验参数对于本实用新型乙醇气体传感器的性能影响

(1)、将多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的反应时间缩小为8h与12h；

(2)、碳纳米管与苯胺单体的质量比降低到原来的一半；

其它实验参数与器件的制作方法均与实施例1相同，测试传感器的气敏性能以及对于未知气体浓度的检测能力与实施例1的不同。

实验结果表明，多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的反应时间缩短，聚苯胺纳米棒的长度越短。碳纳米管的质量降低时，碳纳米管表面生长的聚苯胺会比较少，这均会导致器件的导电性降低，其灵敏度减小，从而降低对于气体浓度的检测能力，进而阻碍对于未知气体浓度的检测。因此，最优的反应时间为24小时，碳纳米管与苯胺单体的最优质量比为1：2。