文摘
本文描述了使用不同的导电聚合物(聚苯胺,聚o-ethoxyaniline)和聚吡咯)作为敏感层硅悬臂传感器。的机械响应(挠度)bimaterial(涂布悬臂)研究相对湿度的影响下。涂布悬臂梁的挠度的变化当暴露于相对湿度进行了评估。结果表明线性灵敏度范围,获得了高价值的polypyrrole-sensitive层20至45%的湿度。此外,传感器显示了优良的性能以及快速反应和恢复时间,相对较低的磁滞,优良的稳定性。传感器开发潜在的优秀材料传感低湿度长时间。
1。介绍
高度敏感的传感器能够快速、实时、原位生物和化学检测所需的。因此,基于悬臂梁传感器目前的小型设备,极度敏感的几个环境因素(1)、湿度检测(2)、生物技术(3),agrofood字段;生产质量控制和供应链目前基于深入测试集中的实验室进行的小样本的产品。
在这种背景下,已经有了相当大的兴趣在探索导电聚合物作为敏感层湿度传感器。导电聚合物是有机材料的结构特征的结合单体的单位,可以减少发生氧化反应。同时,电气性能和磁性和光学特征典型的金属行为相关的机械性能和加工性能的解决方案与常规聚合物(4,5]。
导电聚合物受到许多变化当暴露于一个分析物,如修改骨架构象,溶剂化作用对聚合物链的影响,和掺杂剂的吸引力计数器离子或电子转移6]。因此,改变电荷载体的电子迁移率和肿胀的聚合物矩阵转化为电力和/或机械信号(7,8]。在聚合物研究包括聚吡咯(9,10),聚o-ethoxyaniline) [11- - - - - -13),聚苯胺(14),polythiophenes提供最大可能的应用环境条件下由于其化学和热稳定性,加工性能,易于合成和掺杂15]。
Lahav表示et al。16)使用一个悬臂表面沉积聚苯胺电化学方法和检测挠度在聚苯胺的电化学氧化/还原电影。他们观察到一个机械偏转的悬臂在氧化还原反应发生暴露在各种各样的刺激。
·斯蒂芬斯et al。2)评价涂层的偏转(掺杂和无掺杂聚苯胺)不同湿度下微悬臂和观察到的传感器提供了良好的可重复性经过几个周期的RH。同时,作者评估,微悬臂传感器的反应在不同的温度下表现出更快的响应时间在10°C。微悬臂传感器的滞后是低于2%在10°C和20°C的温度(16,17]。
·斯蒂芬斯et al。18]评价涂层的性能与聚苯胺微悬臂传感器利用各种挥发性有机化合物的蒸汽(甲醇、乙醇、丙酮、丙醇、二氯乙烷、甲苯、苯)不同的极性。掺杂态的聚苯胺层沉积到表面微悬臂,曾通过等离子体清洗。涂层微悬臂传感器有17-42 ppm的检测极限范围v和响应时间小于2.1秒。
在这个研究是研究功能化的硅悬臂与不同的导电聚合物层,目标湿度传感器的发展。聚合物研究包括聚苯胺、聚o-ethoxyaniline)和聚吡咯。这项技术用来存款的聚合物基质上电影旋转涂布技术。线性灵敏度、响应时间、检出限和可逆性的悬臂传感器进行了评估。
2。材料和方法
2.1。材料
硅悬臂梁从NT-MDT公司购买,共振频率12 (±2)kHz,弹簧常数0.03 - -0.13 N / m,尺寸350.0(矩形)μ米长度;30.0μ米宽,-1.5和0.5μ米厚度。悬臂表面是清洁采用高真空等离子体溅射”。氩气的压力低于0.1 mbar,和背景压力为0.1 mbar。作为实验变量,我们采用40 kHz的无线电频率,功率150 W,和治疗温度为130°C。随后,悬臂在烤箱干50°C 10 h和存储在一个真空干燥器。悬臂的扫描电子显微镜图像如图1。
保利(o-ethoxyaniline)所描述的是通过化学合成Mattoso et al。19]。单体的化学合成是由溶解盐酸(HCl, 1米),在0°C冷却,获得均匀的溶液混合。过硫酸铵也溶解在1 M盐酸,冷却到0°C,并添加到解决方案包含单体。反应2 h后,沉淀过滤产品是在真空和丙酮清洗和1 M盐酸的丰度。后来,聚合物在真空下干燥24小时。
鲜绿的基氧化态的聚苯胺得到的界面紧随其后的是一种化学合成路线得到聚苯胺纳米纤维据黄和肯20.]。苯胺(单体)溶解在有机溶剂(二氯乙烷)与氧化剂代理(过硫酸铵)在1 M盐酸。然后,氧化剂慢慢的解决方案是添加到单体的解决方案,以避免混合的阶段。反应的2 h后,解决方案是(滤纸过滤微孔25μ米)与甲醇和Milli-Q洗水。
使用商业聚吡咯(奥尔德里奇),其pH值调整到2 1 M盐酸。所有试剂使用分析纯公共广播,并使用没有任何进一步净化。
为了获得的解聚苯胺和聚o-ethoxyaniline),聚合物形成的被溶解在5毫升N-methyl吡咯烷酮;这些解决方案保存在超声波(布兰森)30分钟溶解。
2.2。与不同的聚合物涂层悬臂
AFM悬臂是携带不同的聚合物(聚苯胺,聚o-ethoxyaniline)和聚吡咯),盐酸掺杂,薄的拍摄旋转涂布以前报道的方法,·斯蒂芬斯et al。2]。悬臂传感器都是在真空下干燥器干燥12小时在室温下最后掺杂盐酸(1米)。
2.3。悬臂传感器性能测量
悬臂传感器的性能评估通过测量涂层的偏转AFM。悬臂传感器变形量测量电压,解决毫伏(mV),通过监测激光光束的位置,这是集中在悬臂的端点和反映四象限光电二极管,并在纳米这个信号值转换。所有的测量挠度进行了一式三份的静态模式操作。
悬臂传感器偏转测量在不同相对湿度(RH)在一个封闭的腔(9毫升)在静态模式。室的湿度是通过结合流干氮(从70年的20% RH)和湿氮经过气体喷水式饮水口管包含水(从20 - 70% RH) 0.1升/分钟的流量(模拟流质量控制器)。室的温度实验期间保持恒定在20±0.2°C使用ultrathermostatic浴(Nova Etica 521/2D模型)。
可逆性()的悬臂传感器在不同湿度计算如下(21,22]: 在哪里是初始挠度的微悬臂传感器获得20%的湿度,是暴露在干燥的氮气流偏转后,然后呢接触后的最小挠度使用水喷水湿氮。的初始挠度悬臂传感器10 nm的三周期评估。可逆性进行了计算评估的能力是否传感器不同湿度的作用下偏转状态并返回其初始状态时,湿度敏感涂层法。悬臂梁传感器的线性灵敏度计算的边坡偏转(nm)和湿度曲线(20 - 70%)。
传感器滞后是计算平均测量值之间的差别在干燥和润湿阶段。
湿度检测极限计算的最低浓度三次给一个信号的中期偏转稳定传感器根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)。
2.4。统计分析
悬臂梁传感器的可逆性和检出限表示为意味着±标准差和受到单向方差分析(图基)测试意义使用统计5.0 5%(美国StatSoft Inc .®)软件。
3所示。结果与讨论
悬臂挠度响应(nm)的传感器在大范围评估不同湿度(RH = 50%,从20%到70%)在干燥和饱和周期(湿和干气)。图2显示了悬臂式湿度传感器反应,从一个初始基线大约0.2 nm的挠度。暴露于干气后,聚吡咯的偏转传感器大大增加,相比与聚苯胺和聚o-ethoxyaniline),然后在回到湿气减少。湿度传感器响应周期评估(表是完全可逆的1时),也通过实验,验证了悬臂传感器与聚吡咯涂层暴露于干气几秒钟后达到的最大阅读光电探测器(12 V)。因此,作者认为它不是一个饱和的传感器响应而是AFM光电探测器,当它达到20% RH。
在图2,随着湿度的增加,光电探测器的悬臂变形量电压和相反的效果被发现使用潮湿的条件。因此,可以与悬臂弯曲表面压力的变化。导电聚合物对水蒸气和现在肿胀的影响非常敏感,可以与拉伸和压缩界面应力变化的吸附/解吸分子,分别。
与不同的导电聚合物传感器的检测极限低至170v。携带聚吡咯的结果表明,悬臂传感器提出了更高的可逆性和湿度(表检测极限1),显著差异( 其他传感器。p型的聚吡咯膜传导,因此,水作为电子受体分子吸引聚合物电子,增加导电率(23]。同时,研究表明,在低湿度的聚合物链会蜷缩成紧凑的线圈形式和高湿度的聚合物链被水吸收水分(24]。
杨et al。25)评估电容microhumidity传感器与五级环形振荡器电路集成在芯片使用互补金属氧化物半导体(CMOS)的过程。传感器是聚吡咯的电影,它是由化学聚合方法,和这部电影有多孔结构。Tabard-Cossa et al。26)评估microactuator设备通过电解沉积聚吡咯膜到金色涂布AFM微悬臂的一端。这是观察到聚吡咯膜的体积变化负责机械运动(27]。通过比较结果与目前的研究中,抗拉和抗压界面应力变化对功能化悬臂暴露于不同的值的RH也观察到。
·斯蒂芬斯et al。2)观察到的时候解吸高分子膜的水蒸气,聚合物链发生的排斥和肿胀,引起拉应力。另一方面,聚合物薄膜的吸收收缩导致了压应力。
获得的结果的浓度范围从20到70% RH悬臂梁传感器与不同的导电聚合物被显示在图3。评估传感器的灵敏度与不同的聚合物,我们计算不同范围的斜坡,在分段线性近似,根据斯et al。28]。在观察20之间的斜率和45%的湿度,聚吡咯显示灵敏度高与其他聚合物。然而,45 - 70%的范围之间的所有传感器的灵敏度降低评估(表2)。这些差异与化学相关的灵敏度可以交互,如分子识别和吸附/吸收过程中分析物的聚合物,导致生理变化,如肿胀和聚合物链构象变化。
悬臂梁传感器的响应时间涂上不同的导电聚合物传感器已达到稳态时获得从RH改变的地方。实验进行的插入顺序获得一个基线和湿气体室;RH范围从20到50% 20°C(图4)。悬臂传感器涂有聚苯胺,聚o-ethoxyaniline)和聚吡咯显示响应时间为5,10,和4 s,分别。可以看出传感器携带聚o-ethoxyaniline)显示,对RH慢反应。这是一个迹象表明,聚合物表现出水蒸气分子的吸附和解吸。此外,这显示了一个快速响应时间与电阻传感器主要是范围从10到30年代在RH (29日]。传统的响应时间是非常高的,湿度传感器基于有序大孔硅(30.基于硅纳米线[],电容式湿度传感器31日基于分成四份)和低湿度聚吡咯复合膜(32]。
耿et al。33)评估的影响聚合时间对聚吡咯的湿度传感特性,观察到的响应时间80年代从11个增加到95% RH。相比这一工作,获得的结果可以验证悬臂传感器功能化聚吡咯显示更短的响应时间。
悬臂梁传感器的湿度滞后分析只携带聚吡咯。湿度从70降低到20%(通过引入干燥氮气室)和从20增加到70%(润湿氮通过水以同样的速度为0.1 L / min)(图5)。滞后的计算是平均测量值之间的差异在干燥和湿润阶段。悬臂偏转的湿度传感器在连续8湿润和干燥周期显示1.23%的滞后。
因此,可以观察到使用导电聚合物(聚吡咯、聚苯胺和聚o-ethoxyaniline)存在许多优点相比,金属氧化物和其他湿度传感器由于其在室温下以低成本运作的能力。
悬臂传感器与聚吡咯薄膜涂层呈现更好的应对湿度存储了180天在RH(图和评估响应6)。结果表明,响应仍与时间(180天)后虽然与相对于初始敏感性下降了160%。因此,聚吡咯的敏感层提供了一个良好稳定的环境条件。
4所示。结论
不同导电聚合物应用于开发一个湿度传感器使用microeletromechanical系统(悬臂梁)。聚吡咯悬臂传感器提出了非常低的检出限和良好的重现性相对于聚苯胺和聚o-ethoxyaniline RH)传感器。传感器的滞后被发现1.23% RH,和响应时间的测量显示3秒。传感器开发潜在的优秀材料传感低湿度长时间。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢CNPq斗篷,FAPERGS, FINEP负责金融支持。
补充材料
图形文摘:图中显示悬臂行为(deflection-nm)提交不同的湿度时使用干燥和潮湿的氮气。高灵敏度可以由于拉伸和压缩界面应力变化的吸附/解吸分子导电聚合物沉积在悬臂表面。(补充材料)