基于纳米毛细管成形技术的一维纳米线微型气体传感器的制造

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基于纳米结构的微型传感器,因其具有非常高的表体比和极低的功耗,在新型传感器的开发中受到了广泛的关注。然而,目前对于纳米结构的制造大多还依靠昂贵的设备和复杂的工艺,极大限制了基于纳米结构的器件在实际生活中的应用。近年来,逐渐发展的印刷技术被广泛用于微型电子元器件和芯片的制造,其具有制造成本低、可大面积重复制造的优势。但是由于工艺的限制,传统印刷技术很难实现亚微米甚至纳米结构的稳定制造。针对以上问题,本文从器件的底层做起,采用了基于纳米毛细管成形技术的纳米印刷方法,针对制造过程中的关键工艺参数进行了实验和优化,分别在硬质基底和柔性基底上制备了一维有序导电高分子纳米线阵列,单根纳米线线宽小于100nm,单次印刷面积可以达到1cm×1cm。在纳米线结构成功制备的基础上,将其集成为电阻式微型传感器或传感器阵列的敏感单元,并探究集成后的传感器对NH3、NO2、挥发性有机化合物的检测性能。主要研究内容和成果包括:
  1.本文采用了基于纳米毛细管成形技术的纳米印刷方法,通过优化工艺参数和步骤,成功地在硅基底和柔性基底上实现了一维有序导电高分子纳米线阵列的制造,证明了该技术对基底和功能化材料具有很好的适用性。
  2.在完成纳米线阵列制备的基础上,实现了基于纳米线的硅基微型气体传感器的制造。通过检测NO2和NH3,对该传感器的气体检测性能和传感机理进行了研究;对比了基于纳米线的器件与薄膜式器件在气体响应上的差别,验证了纳米线结构在检测方面的优势。
  3.为有效检测和区分不同种类的挥发性有机化合物,本文以氧化石墨烯掺杂的导电聚合物为气敏材料,通过纳米毛细管成形技术开发了基于复合材料纳米线阵列的电子鼻装置,分析了挥发性有机化合物的检测机理,并结合模式识别算法验证了该装置在挥发性有机化合物区分方面的可行性。
  4.针对柔性器件在气体检测领域的需要,使用纳米毛细管成形技术实现了基于PEODT:PSS纳米线的柔性微型气体传感器的制备,并对该传感器的机械性能、气体检测性能进行了分析;通过设计具有阻抗检测功能的电路板和可实时显示阻抗的手机APP,在集成柔性微型传感器的情况下,实现了基于纳米线的手机交互式可穿戴气体检测系统的制造,并验证了该系统在有毒气体检测和食物腐败过程监测方面的应用潜力。
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