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CN108802135B - 以有机半导体为光敏材料的液体粘度传感器及其制备方法 - Google Patents

以有机半导体为光敏材料的液体粘度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于传感检测技术领域，具体为一种以有机半导体材料为光敏材料的液体粘度传感器及其制备方法。其粘度传感器以有机半导体材料为光敏材料，有机半导体材料光照下分离出电荷，电荷通过待测液体，根据电荷通过液体情况，实现对液体粘度的检测。其结构为两个电极体系或者三电极体系；工作电极表面覆盖有机半导体层；在衬底上制作储样池，对电极、工作电极和参比电极包括在储样池里面。检测时，工作电极、对电极和参比电极都浸没在待测样品中，光源波长对应有机半导体材料吸收的峰值波长；光源照射到工作电极，在对电极和工作电极之间可以检测到脉冲光电信号。本发明传感器制备简便，使用灵活，便于集成化；可大规模批量生产，降低传感器成本。

Description

以有机半导体为光敏材料的液体粘度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器检测技术领域，具体涉及一种用于液体粘度检测的传感器及其制备方法。
背景技术
粘度表示在剪切力作用下液体抵抗形变的能力，与液体内部两个相邻流体平面相对移动时产生的摩擦力有关。粘度对各种润滑油的质量鉴别及各种燃料用油的燃烧性能等有决定意义，在制糖工业、蜂蜜加工业、冰淇淋制造工艺中，对液体粘度都有特定要求。在医学临床检测中血液粘度也是非常重要的指标。传统的粘度检测仪器设备比较大，对测量体积量比较多，操作复杂，对操作者要求比较高，且价格昂贵，无法做到一次性使用。因此设计开发一种新型快速便捷的粘度传感器显得更加重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能优异、制备简单、使用方便的液体粘度传感器及其制备方法。
本发明提供的液体粘度传感器，以有机半导体为光敏材料，在激发光照射下，有机半导体材料产生载流子，载流子与待测液体作用后，通过电学测量来实现对液体粘度实现检测。
本发明提供的以有机半导体为光敏材料的液体粘度传感器，其结构包括：两个电极：对电极和工作电极；或者三个电极：对电极、工作电极和参比电极；其中，工作电极制作在衬底上；工作电极和对电极可以在同一个平面内，也可以互相垂直。工作电极表面覆盖上有机半导体材料，覆盖的方式包括旋涂、蒸镀或者化学修饰等；而对电极不做任何处理，只是与工作电极构成电路回路；参比电极是为了指示电极电势用，其表面也不做任何处理；工作电极和对电极可以是同种材料，也可以是不同种材料。
本发明中，所述衬底为各类非导电柔性材料，如为硅、玻璃等。
本发明中，所述的有机半导体材料是在黑暗条件下不与待测液体发生相互作用（如溶解、化学反应等）的材料，以保证传感器性能稳定；在光照条件下，可与液体界面处发生缓慢光水解反应。例如，聚合物共混膜PCBM:PCBM，以及小分子共混膜ZnPc:C60等,也包括各种单质有机半导体材料。
本发明中，所述的电极材料为至少一种为惰性电极，且两个电极为具有较大功函数差的导电材料。
本发明中，需在衬底上制备储样池，用来盛放待测样品，电极（包括对电极、工作电极和参比电极）包含在储样池里面，均全部浸没在待测液体内。
在进行检测时，待测样品直接与电极接触。使用激发光照射有机半导体材料，有机半导体材料与液体界面处的激子分离出自由电荷，电荷通过转移给待测液体内的微量离子形成电流，由于液体的粘度影响微量离子的运动情况和电流大小，因此根据电流可以实现对液体粘度的检测。
本发明中，一般激发光波长选择在有机半导体材料吸收比较高而待测液体吸收比较少的波段。在光激发下，有机半导体与液体界面处的激子产生电荷分离，电荷转移给待测液体内解离的离子后形成电流回路，通过检测对电极和工作电极的电流，实现对待测液体粘度检测。
本发明的粘度传感器的制作方法，包括如下步骤：
（1）在衬底上生长电极（两电极系统包括工作电极和对电极；三电极系统包括工作电极、对电极和参比电极）；工作电极和对电极可以共平面，也可以立于垂直面。参比电极用于指示电极电势用；
（2）在工作电极上生长有机半导体材料，生长方式包括旋涂、蒸镀等方法；
（3）在衬底上构建储样池，用以盛放待测液体。电极全部包含在储样池内，使得待测液体能完全接触到电极；
（4）在工作电极上方安装激发光源，用于激发有机半导体材料分离出自由电荷。
本发明传感器制备方法简便，使用方便灵活，便于集成化；而且可以大规模批量生产，降低传感器成本。
附图说明
图1为基于有机半导体材料为敏感材料的粘度传感器的原理图。
图2为本发明实验装置图示。
图3为采用葡萄糖的水溶液作为待测溶液，测量时工作电极的电流曲线。
图4为器件的工作机制与原理图。
图5为器件光电流与待测液粘度的倒数关系。
图中标号：1为储样池，2为有机半导体材料，3为工作电极，4为衬底，5为对电极。
具体实施方式
以下结合附图详细介绍本发明专利所涉的粘度传感器原理及制备过程做详细介绍，并对其实测结果做展示，以便本领域人员更加容易理解和掌握。通过本实施例可以更进一步对本发明做说明，但是本发明不限于本实施例。
实施例1，一种基于共面电极结构的新型溶液粘度光电传感器，如附图1所示，包括衬底，对电极，有机半导体膜和储样池。实验装置如图2所示，包括光源，测量器件和外部电路。
所述的有机半导体膜，采用的是P3HT：PCBM共混膜，制备中采用氯苯作为溶剂与所购买的P3HT 和 PCBM 粉末充分混合（最优浓度比为1:0.8），并放入超声清洗仪中振荡，使粉末充分溶解。所述P3HT：PCBM共混膜通过旋涂的方式贴合到所述工作电极（金）上。
本实施例中，采用葡萄糖的水溶液作为待测溶液，测量时，将电流计正负探针分别接在两个电极上（金与铝或ITO）。开启激光光源，脉冲调制，光源正对着工作电极。电流相应曲线如图3所示。
如图4所示。由于P3HT：PCBM混合膜（有机半导体层）内缺少足够的载流子以中和在无光照条件下吸附在半导体表面上的离子，除了水致弯曲带之外，共混膜中还可能存在由电极电位差引起的内建电场。光照后，光生空穴将被金电极收集，使可能在液体界面处产生氧气反应过程得到抑制，尽管PCBM的最高占据分子轨道（HOMO）水平比析氧电位更活泼。由于P3HT和PCBM的最低空分子轨道（LUMO）的电位比2H+/H2的氧化还原电位更低，所以电子主要在析氢的半导体/溶液界面处转移。尽管是在非电解质溶液中，但界面处的缓慢水解反应产生少量的离子使溶液导电性得到提升，与外电路一起构成回路，形成光电流。
本实施例中溶液的体积和形状保持不变，因此导体的长度和横截面积也是常量，进而可以推算出整个系统等效的稳态光电流与溶液的电导率成正比。而其电导率又与粘度与成反比例关系,因此可以比较葡萄糖溶液粘度的倒数和光电流响应(如图5所示)，呈现出良好的线性度。说明本基于共面电极结构的新型溶液粘度光电传感器可以通过检测光电信号得到溶液的粘度。

Claims (4)

1.一种基于光敏材料的液体粘度传感器，其特征在于，结构包括：衬底，储样池；两个电极：对电极和工作电极；或者三个电极：对电极、工作电极和参比电极；其中，工作电极制作在衬底上；工作电极和对电极在同一个平面内，或者互相垂直；工作电极表面覆盖有光敏材料，在工作电极上方安装激发光源，用于激发光敏材料分离出自由电荷；对电极与工作电极构成电路回路；参比电极用于指示电极电势；其中：
所述储样池制备在所述衬底上，用来盛放待测样品，电极包含在储样池里面，均全部浸没在待测液体内；
所述光敏材料是在黑暗条件下不与待测液体发生相互作用、在光照条件下可与液体界面处发生缓慢光水解反应的材料；包括聚合物共混膜P3HT:PCBM。
2.根据权利要求1所述的液体粘度传感器，其特征在于，所述衬底材料为非导电柔性材料。
3.根据权利要求1所述的液体粘度传感器，其特征在于，所述电极材料为至少一种为惰性电极，且两个电极为具有较大功函数差的导电材料。
4.如权利要求1-3之一所述的液体粘度传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）在衬底上生长电极：两电极系统包括工作电极和对电极；三电极系统包括工作电极、对电极和参比电极；工作电极和对电极共平面，或者立于垂直面；
（2）在工作电极上生长光敏材料；
（3）在衬底上构建储样池，使电极全部包含在储样池内；
（4）在工作电极上方安装激发光源，用于激发光敏材料分离出自由电荷。
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