基于聚合物P3HT的丙酮气体传感器研究

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随着丙酮气体浓度检测在工业生产、畜牧养殖、医学检测等领域的应用价值被不断发掘,各行业对丙酮气体传感器的需求与日俱增。工作稳定、性质优良的丙酮传感器既可以提高生产效率,也保证了工作环境安全,亦在人体健康状态检测中发挥着越来越重要的作用。本文基于已有丙酮气体传感器的研究,利用紫外光刻工艺制备电极,选取聚合物3-己基取代聚噻吩(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl),P3HT)为气敏材料,结合旋涂覆膜工艺涂覆气敏薄膜,制备出了一种能在室温下检测丙酮气体浓度的电阻型传感器,在较小的器件体积上获得了较大的反应面积。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对叉指电极与平板电极两种结构进行了仿真分析,仿真结果显示,在电极尺度接近,填充材料相同时,叉指电极与平板电极两种结构的电流密度模处于同一量级,没有呈现显著差异,综合考虑制备工艺复杂程度,聚合物填充的均匀性等要素,选取叉指电极结构制备丙酮气体传感器。论文利用L-edit软件绘制电极结构,采用电子束热蒸镀、紫外光刻、金属银腐蚀等工艺,制备出厚度200nm、周期32μm、叉指对数125对的电极,具备较大的长宽比与占缝比。采用聚合物P3HT作为传感器气敏材料,在电极叉指部分旋涂P3HT溶液,高温退火成膜,制备出丙酮气体传感器,薄膜厚度为1±0.4μm,经过退火后薄膜表面具有分散的凸起,增大了表面积体积比,提供了更多的结合位点,有利于丙酮气体吸附。采用keithley2440源表及PC端数据采集软件测试分析了传感器对不同浓度丙酮气体的响应特性,传感器的检测下限为200ppm,在200-1000ppm浓度范围的其响应度与气体浓度具有较好的线性关系,在1000ppm浓度以上传感器的响应趋于饱和。
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