專利名稱：聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米材料薄膜傳感器及其制備方法，具體是涉及一種基于聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜的濕度傳感器。
背景技術(shù)：
濕敏傳感器在傳感器領(lǐng)域具有重要的影響力和廣泛的應(yīng)用背景，不僅直接影響著人類基本的生活條件，而且對(duì)工農(nóng)業(yè)、生物制品、醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)防建設(shè)等方面的具有極大影響。濕敏元件的發(fā)展在傳感器行業(yè)中占有重要的地位，基于濕敏元件的濕度傳感器是檢測(cè)外界環(huán)境濕度的器件，它將檢測(cè)到的濕度信號(hào)轉(zhuǎn)化為便于處理、傳送、顯示、記錄的信號(hào)。目前濕度傳感器主要包括電解質(zhì)型、半導(dǎo)體陶瓷型及高分子聚合物型等種類，電解質(zhì)類濕度傳感器原理簡(jiǎn)單成本低廉，但不能長(zhǎng)期應(yīng)用于高濕環(huán)境中；半導(dǎo)體陶瓷類濕敏器件性能穩(wěn)定，檢測(cè)范圍寬，但溫度系數(shù)較高，并且不耐污染難脫附。高分子型濕敏器件應(yīng)用較為廣泛，但存在著長(zhǎng)期穩(wěn)定性差和響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。因此，尋求新型敏感材料已成為濕度傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著科技的不斷發(fā)展，納米技術(shù)已經(jīng)成為非常熱門的領(lǐng)域，它的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。碳納米管自1991年被日本NEC物理學(xué)教授Iijima在高分辨率透射電子顯微鏡下首次發(fā)現(xiàn)后，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等性能很快吸引了材料、物理、電子、化學(xué)等領(lǐng)域眾多科學(xué)家的極大關(guān)注。碳納米管作為中空管狀一維納米材料，具有豐富的空隙結(jié)構(gòu)、高表面吸附能力、良好的導(dǎo)電性等性能，成為國(guó)際新材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。碳納米管的發(fā)現(xiàn)為研發(fā)新型濕敏傳感器提供了 一種新途徑。特別是碳納米管具有非常大的比表面積，與周圍介質(zhì)之間有很強(qiáng)的相互作用，對(duì)外界環(huán)境的濕度敏感，是制作濕敏傳感器敏感膜的理想材料。聚電解質(zhì)作為一種高分子材料，在濕度環(huán)境下具有較高的電阻，與碳納米管的有效結(jié)合可實(shí)現(xiàn)原位聚合復(fù)合薄膜，提高薄膜的熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性，在一定程度上調(diào)控其電學(xué)特性和濕敏傳感性能，有望制備出用于寬范圍濕度的電阻型傳感器。因此，本發(fā)明利用聚電解質(zhì)/碳納米管薄膜的濕敏和電學(xué)特性，制備了基于聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜的電阻型濕度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在較寬濕度范圍內(nèi)，響應(yīng)和恢復(fù)速率較快，室溫下可測(cè)量的聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜濕度傳感器，設(shè)有柔性聚合物襯底、梳狀叉指電極、聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜、電阻拾取電路板、電極插針、透氣外殼，引線孔。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，采用靜電誘導(dǎo)納米自組裝方法在聚合物柔性襯底和梳狀叉指電極表面制備聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜作為濕敏傳感元件，與薄膜電阻拾取電路板匹配于一體構(gòu)成濕度傳感器，通過(guò)檢測(cè)薄膜電阻值變化實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度的檢測(cè)。所述聚電解質(zhì)/碳納米管復(fù)合薄膜制備方法如下:采用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液浸泡清洗制備有梳狀叉指電極的柔性聚合物襯底，浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進(jìn)行TODA的自組裝，10-15分鐘后取出用去離子水沖洗2_3分鐘，吹干；再浸入3mg/L的聚4-苯乙烯磺酸(PSS)溶液進(jìn)行PSS的自組裝，10-15分鐘后取出用去離子水沖洗2-3分鐘，吹干，操作重復(fù)一次。然后浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進(jìn)行TODA的自組裝，10-15分鐘后取出用去離子水沖洗2-3分鐘，吹干后浸入碳納米管(CNT)溶液進(jìn)行CNT的自組裝，15-20分鐘后取出用去離子水沖洗2-3分鐘，吹干，操作重復(fù)五次，至此可得到自組裝5層的聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜。最后在真空干燥箱70°C下處理2-5小時(shí)。所述聚二烯丙基二甲基氯化銨為聚陽(yáng)離子溶液，聚4-苯乙烯磺酸為聚陰離子溶液。所述碳納米管溶液為羧基化碳納米管分散液，濃度2.0wt %,粒子帶有負(fù)電荷。所述梳齒電極為Cu/Ni或Cr/Au，間距5-200 μ m,齒寬5-200 μ m。所述聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜厚度可通過(guò)自組裝層數(shù)進(jìn)行納米級(jí)調(diào)控。所述柔性聚合物襯底采用以聚酰亞胺為基材的柔性聚合物，其上光刻和蒸發(fā)制備有梳狀叉指電極圖案。所述濕敏傳感器件電極與電阻拾取電路板采用插針型方式電學(xué)連接于一體。所述濕敏傳感器件與電阻拾取電路板通過(guò)螺桿與螺母固定裝配，并封裝于透氣孔塑料外殼內(nèi)。所述電阻拾取電路信號(hào)線通過(guò)塑料殼體引線孔引出，可與計(jì)算機(jī)或微處理器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示與報(bào)警等檢測(cè)功能。本發(fā)明利用靜電自組裝方法制備聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜濕度傳感器，提供了一種簡(jiǎn)單方便，薄膜厚度可控，吸附力強(qiáng)的電阻型濕度傳感器，成本低廉，響應(yīng)速度快，重復(fù)性和穩(wěn)定性好。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖，其中I為透氣孔，2為塑料上外殼，3為固定螺桿，4為聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜，5為柔性聚合物襯底，6為梳狀叉指電極，7為電極插針，8為固定螺孔，9為電阻拾取電路板，10為信號(hào)線，11為引線孔，12為塑料下外殼，13為固定螺母。圖2為納米薄膜濕敏傳感元件示意圖，其中I為聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜，2為梳狀叉指電極，3為柔性聚合物襯底，4為電極插針。圖3為傳感元件電阻拾取電路板示意圖，其中I為電路板，2為固定螺孔，3、4、5分別為地線，輸出信號(hào)線和電源線，6為電子元器件。圖4為濕敏傳感器件與電阻拾取電路板裝配示意圖，其中I為濕敏傳感器件，2為電阻拾取電路板，3為固定螺桿，4為固定螺母，5為電極插針。圖5為聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜傳感器在不同濕度下電阻的變化曲線(自組裝5層)。圖6為聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜傳感器在干燥環(huán)境(約0% )與75%濕度切換下的電阻和時(shí)間響應(yīng)曲線(自組裝5層)。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有柔性聚合物襯底5、梳狀叉指電極6、自組裝聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜4、電阻拾取電路板9、電極插針7、透氣外殼2和12，引線孔11、固定螺孔8、固定螺桿3和螺母13。以聚酰亞胺為基材制成的柔性聚合物襯底，其上光刻和蒸發(fā)制備有梳狀叉指電極圖案。采用靜電自組裝方法在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面制備聚電解質(zhì)/碳納米管復(fù)合薄膜作為濕敏傳感元件，如圖2所示，并集薄膜電阻拾取電路板(圖3所示)于一體構(gòu)成濕度傳感器。所述濕敏傳感元件電極與薄膜電阻拾取電路采用插針型方式電學(xué)連接于一體，濕敏傳感元件與信號(hào)拾取電路板通過(guò)螺桿與螺母固定裝配，如圖4所示，并封裝于透氣孔塑料外殼內(nèi)。所述聚電解質(zhì)/碳納米管復(fù)合薄膜制備方法如下:采用稀硫酸溶液和稀氫氧化鈉浸泡清洗制備有梳狀叉指電極的柔性聚合物襯底，浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進(jìn)行TODA的自組裝，10-15分鐘后取出用去離子水沖洗2_3分鐘，吹干；再浸入3mg/L的聚4-苯乙烯磺酸(PSS)溶液進(jìn)行PSS的自組裝，10-15分鐘后取出用去離子水沖洗2-3分鐘，吹干，操作重復(fù)一次。然后浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進(jìn)行TODA的自組裝，10-15分鐘后取出用去離子水沖洗2-3分鐘，吹干后浸入碳納米管(CNT)溶液進(jìn)行CNT的自組裝，15-20分鐘后取出用去離子水沖洗2-3分鐘，吹干，操作重復(fù)五次，至此可得到自組裝5層的聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜。最后在真空干燥箱70°C下處理2-5小時(shí)。所述電阻拾取電路信號(hào)線由電源線、地線、輸出信號(hào)線組成，通過(guò)塑料外殼引線孔引出，可與計(jì)算機(jī)或微處理器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示與報(bào)警等檢測(cè)功能。采用飽和鹽法調(diào)配周圍環(huán)境相對(duì)濕度為O % -97 %，測(cè)得聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜濕度傳感器電阻值在相應(yīng)濕度環(huán)境下的變化實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度的檢測(cè)，如圖5所示，電阻變化與相對(duì)濕度具有良好的線性關(guān)系。調(diào)配周圍環(huán)境分別為干燥(約0%)和75%的兩種相對(duì)濕度，將聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜濕度傳感器在兩種環(huán)境下進(jìn)行切換，其電阻和時(shí)間響應(yīng)曲線如圖6所示，表現(xiàn)出響應(yīng)和恢復(fù)速率快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于設(shè)有柔性聚合物襯底、梳狀叉指電極、聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜、電阻拾取電路板、電極插針、透氣外殼，引線孔；采用靜電誘導(dǎo)自組裝方法在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構(gòu)筑聚電解質(zhì)/碳納米管復(fù)合薄膜作為濕敏傳感元件，與薄膜電阻拾取電路板匹配于一體構(gòu)成濕度傳感器，通過(guò)檢測(cè)薄膜電阻值變化實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度的檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于所述復(fù)合薄膜厚度可通過(guò)自組裝層數(shù)進(jìn)行納米級(jí)調(diào)控。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于所述柔性聚合物襯底采用以聚酰亞胺為基材的柔性聚合物，其上光刻和蒸發(fā)制備有梳狀叉指電極圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于所述濕敏傳感元件電極與薄膜電阻拾取電路采用插針型方式電學(xué)連接于一體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于所述濕敏傳感元件與信號(hào)拾取電路板通過(guò)螺桿與螺母固定裝配，并封裝于透氣孔塑料殼體內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于所述電阻拾取電路信號(hào)線通過(guò)塑料殼體引線孔引出，可與計(jì)算機(jī)或微處理器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示與報(bào)警等檢測(cè)功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜濕度傳感器，其特征在于所述聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜制備包括以下步驟: (1)采用稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液浸泡清洗制備有梳狀叉指電極的柔性聚合物襯底； (2)配置聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液和聚4-苯乙烯磺酸溶液濃度分別為15mg/L和3mg/L，羧基化碳納米管溶液濃度為2wt.% ； (3)在聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中浸泡上述襯底10-15分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹干； (4)在聚4-苯乙烯磺酸溶液中浸泡上述襯底10-15分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹干； (5)重復(fù)步驟(3)和⑷一次； (6)在聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中浸泡上述襯底10-15分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹干； (7)在羧基化碳納米管溶液中浸泡上述襯底15-20分鐘，取出，去離子水清洗2-3分鐘，吹干； (8)重復(fù)步驟(6)和(7)五次； (9)將上述制備的薄膜器件在真空干燥箱70°C處理2-5小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜的電阻型濕敏元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于納米材料薄膜的濕度傳感器，由柔性聚合物襯底、梳狀叉指電極、聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜、濕敏薄膜電阻拾取電路板、電路信號(hào)線、透氣孔外殼構(gòu)成。采用靜電自組裝方法在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構(gòu)筑聚電解質(zhì)-碳納米管復(fù)合薄膜作為濕敏傳感元件，薄膜電阻拾取電路與濕敏傳感元件采用插針型方式電學(xué)連接于一體，濕敏傳感元件與信號(hào)拾取電路板通過(guò)螺桿與螺母固定裝配，并封裝于透氣孔塑料外殼內(nèi)，電路信號(hào)線通過(guò)外殼引線孔引出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示與報(bào)警等功能。該傳感器利用聚電解質(zhì)-碳納米管薄膜的濕敏和電學(xué)特性，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、成本低廉、線性度高、重復(fù)性好、濕敏響應(yīng)及恢復(fù)速率快等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/04GK103149245SQ20121039004
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者張冬至, 夏伯鍇, 王凱, 童俊, 張吉祥 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)