專利名稱：碳化硅納米紙傳感器及其制作方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料制作的傳感器及其制作方法和應(yīng)用，尤其涉及一種碳化硅納米材料傳感器及其制作方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前廣泛使用的濕度傳感器有干濕球傳感器、毛發(fā)傳感器等，其中部分濕度傳感器已廣泛應(yīng)用于日常生活濕度檢測(cè)、糧食倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。這些濕度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)濕度計(jì)的檢測(cè)范圍較窄，難以檢測(cè)相對(duì)濕度低于10%的濕度環(huán)境。因此，使用對(duì)環(huán)境濕度敏感的微納米材料制造高靈敏度、快速響應(yīng)、性能穩(wěn)定的微納米材料濕度傳感器成為今年的研究熱點(diǎn)。包括硅材料、碳材料和金屬氧化物等不同于傳統(tǒng)濕度敏感材料的研究表明，這些微納米材料在響應(yīng)時(shí)間、檢測(cè)極限、耐久性等方面展現(xiàn)了巨大的潛力，但這些新型材料同樣存在自身固有的缺陷，如金屬氧化物和一些禁帶較寬的半導(dǎo)體材料需要在較高的溫度下使用，而硅材料、碳材料等在高溫氧化性氣氛下會(huì)迅速失去傳感性能，而金屬氧化物則會(huì)在酸性或堿性環(huán)境下發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。因此，開(kāi)發(fā)可在寬溫度范圍內(nèi)使用、且具有耐酸堿、抗氧化、抗腐蝕的高性能濕度傳感器仍然存在一定難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、高靈敏度、且多選擇性的碳化硅納米紙傳感器，還相應(yīng)提供一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠的碳化硅納米紙傳感器的制作方法和應(yīng)用。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種碳化硅納米紙傳感器，所述傳感器為電阻型傳感器，所述傳感器包括基材、碳化硅納米紙和兩個(gè)導(dǎo)電電極，所述基材表面覆蓋有碳化硅納米紙，所述導(dǎo)電電極(通過(guò)真空濺射法制備)與碳化硅納米紙緊密結(jié)合在基材表面，導(dǎo)電電極之間的間隙連續(xù)鋪覆有碳化硅納米紙。上述的碳化硅納米紙傳感器，所述碳化硅納米紙優(yōu)選是碳化硅納米線經(jīng)有機(jī)溶劑輔助壓縮后成型得到。碳化硅納米紙的厚度根據(jù)需要可在數(shù)微米至數(shù)十微米范圍內(nèi)定制。上述的碳化硅納米紙傳感器中，因碳化硅納米線直徑過(guò)細(xì)，難以在不破壞納米線的情況下操作單根納米線或觀察單根納米線。所述碳化硅納米線的長(zhǎng)度至少為厘米級(jí)。一般不低于0.5cm,優(yōu)選為0.5cm 2cm。上述的碳化硅納米紙傳感器，所述基材可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合需要選擇剛性或柔性基材，所述剛性基材包括石英等材料，所述柔性基材可以為各種有機(jī)聚合物材料(例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，簡(jiǎn)稱PET)，所述有機(jī)溶劑優(yōu)選為丙酮，或者選擇其他不與基材、電極、納米線等反應(yīng)的低溫(基材、電極、納米線耐受溫度以下)易揮發(fā)溶劑(例如無(wú)水乙醇、無(wú)水甲醇、去離子水、四氫呋喃、乙腈等)；所述導(dǎo)電電極優(yōu)選為金電極，也可選擇用真空濺射法制備的具有良好導(dǎo)電性、且不與所使用的有機(jī)溶劑反應(yīng)的其他金屬電極。
作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種碳化硅納米紙傳感器的制作方法，包括以下步驟:
(1)將碳化硅納米線置于一基材上，利用有機(jī)溶劑輔助壓縮法將碳化硅納米線壓縮為碳化硅納米紙，形成負(fù)載有碳化硅納米紙的基材；所述的基材可以為具有一定機(jī)械強(qiáng)度易加工的聚合物薄膜、玻璃、石英、氧化鋁、其他陶瓷或金屬氧化物基底等(其電阻一般要遠(yuǎn)大于碳化硅納米線，即電阻高出至少3個(gè)數(shù)量級(jí)及以上)；
(2)將所述的負(fù)載有碳化硅納米紙的基材置于真空環(huán)境中(優(yōu)選的真空環(huán)境氣壓低于10Pa)，利用真空濺射法通過(guò)掩膜在基材上沉積具有導(dǎo)電性能的導(dǎo)電電極，得到電阻型碳化娃納米紙傳感器。上述的制作方法中，所述碳化硅納米線的制備優(yōu)選包括以下步驟:將活性炭粉末、聚硅碳硅烷和二茂鐵混合形成均勻的漿料，然后將漿料放入舟皿中，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，降溫后即可在舟皿中收集得到棉花蓬松狀碳化硅納米線產(chǎn)物。上述的制作方法中，所述活性炭粉末、聚硅碳硅烷、二茂鐵的質(zhì)量比優(yōu)選為(7 3): (2 6): (0.02 0.06)。上述的制作方法中，所述高溫焙燒處理時(shí)，優(yōu)選的，升溫速率為5°C /min 10°C /min，燒結(jié)溫度為1300°C 1350°C，保溫時(shí)間為Ih 4h。所述惰性氣氛優(yōu)選為氬氣氣氛。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的碳化硅納米紙傳感器在濕度測(cè)量中的應(yīng)用，應(yīng)用時(shí)將各導(dǎo)電電極通過(guò)導(dǎo)線接入一閉合電路中形成一濕度計(jì)。上述的應(yīng)用中，優(yōu)選的，所述閉合電路中接入有高靈敏度電流計(jì)(例如精確到I微安的電流計(jì))(量綱為毫安或微安，0.0001毫安或0.1微安)，在特定溫度下，利用標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境對(duì)所述碳化硅納米紙傳感器進(jìn)行標(biāo)定，繪制特定溫度下的相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，再利用該濕度計(jì)在特定溫度下檢測(cè)待測(cè)環(huán)境時(shí)獲取的靈敏度值，并結(jié)合相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，即得到待測(cè)環(huán)境中特定溫度下的相對(duì)濕度值(相對(duì)濕度，RH)。所述靈敏度=電阻變化值/基礎(chǔ)電阻X 100%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的碳化硅納米紙傳感器中由于使用了碳化硅納米線(尤其是超長(zhǎng)的碳化硅納米線)制作的碳化硅納米紙，因此，該碳化硅納米紙傳感器具有優(yōu)異的耐高溫(惰性環(huán)境中可耐1800°C)、抗氧化(空氣氣氛中可耐700°C)性能，在強(qiáng)酸(堿)性環(huán)境中不易被腐蝕。另外，由于本發(fā)明的碳化硅納米紙傳感器可適用于多種基材(各種剛性或柔性基材)，可使其在寬溫度范圍和苛刻的腐蝕性環(huán)境中用于濕度的測(cè)量，也可制作為各種柔性濕度傳感器件，應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，可批量制造，成本低廉。本發(fā)明的碳化硅納米紙傳感器在進(jìn)行濕度測(cè)量應(yīng)用時(shí)，其對(duì)環(huán)境中的水汽含量響應(yīng)迅速(5.15s)，可用于檢測(cè)較低的濕度環(huán)境，靈敏度高，準(zhǔn)確性好。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中包含碳化硅納米紙傳感器的濕度計(jì)檢測(cè)原理圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中碳化硅納米紙傳感器的實(shí)物照片。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中碳化硅納米紙傳感器對(duì)89%濕度空氣的傳感性能。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中碳化硅納米紙傳感器對(duì)不同濕度空氣的傳感性能。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中碳化硅納米紙?jiān)诳諝庵械臒嶂厍€。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中測(cè)得的相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線。圖例說(shuō)明:
1、基材；2、碳化硅納米紙；3、導(dǎo)電電極。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1:
一種如圖1、圖2所示本發(fā)明的碳化硅納米紙傳感器，該傳感器為電阻型傳感器，該電阻型傳感器包括基材1、碳化硅納米紙2和兩個(gè)導(dǎo)電電極3，本實(shí)施例的基材I為石英基底，基材I表面覆蓋有碳化硅納米紙2，導(dǎo)電電極3為金電極，導(dǎo)電電極3與碳化硅納米紙2緊密結(jié)合在基材I表面，且導(dǎo)電電極3設(shè)置在基材I表面兩側(cè)的碳化硅納米紙2上，導(dǎo)電電極3之間的間隙連續(xù)鋪覆有碳化硅納米紙2，進(jìn)而形成一整體。上述的碳化硅納米紙傳感器中，碳化硅納米紙2是碳化硅納米線經(jīng)丙酮輔助壓縮后成型得到。碳化硅納米線的長(zhǎng)度大約為Icm左右。一種本實(shí)施例的碳化硅納米紙傳感器的制作方法，包括以下步驟:
(1)制作碳化硅納米線:將聚硅碳硅烷(4.0g)、二茂鐵(0.04g)以及活性炭粉末(5.0g)混合形成均勻的漿料，然后將漿料放入普通的瓷方舟中，在氬氣保護(hù)下，于水平剛玉管中以IO0C /min的速度升溫至1300°C，保溫2h后自然降至室溫，在瓷方舟表面收集棉花蓬松狀碳化硅納米線產(chǎn)物；
(2)制作碳化硅納米紙:將步驟(I)中制得的碳化硅納米線置于石英基材I上，利用丙酮輔助壓縮法將碳化硅納米線壓縮為碳化硅納米紙2，形成負(fù)載有碳化硅納米紙2的基材I ;
(3)制作傳感器:將步驟(2)制得的負(fù)載有碳化硅納米紙2的基材I置于真空環(huán)境中(低于10Pa)，利用真空濺射法通過(guò)掩膜在基材I上沉積具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電電極3(金電極)，得到電阻型碳化硅納米紙傳感器。本實(shí)施例上述的碳化硅納米紙傳感器可在濕度測(cè)量中進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用時(shí)將各導(dǎo)電電極3通過(guò)導(dǎo)線接入一閉合電路中形成一濕度計(jì)(如圖1所示)。閉合電路中接入有高靈敏度電流計(jì)(六位半電流計(jì)，即可測(cè)到微安級(jí))，在特定溫度下(本實(shí)施例為15°C左右)，利用標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境對(duì)本實(shí)施例的碳化硅納米紙傳感器進(jìn)行標(biāo)定，繪制相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線(參見(jiàn)圖6)，再利用該濕度計(jì)檢測(cè)待測(cè)環(huán)境時(shí)獲取的靈敏度值，并結(jié)合圖6所示的相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，即得到待測(cè)環(huán)境中的濕度值。靈敏度=100%X電阻變化值/基礎(chǔ)電阻，即最高電阻值與最低電阻值的差值與基礎(chǔ)電阻的比值，再乘以100%。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中碳化硅納米紙濕度傳感器在相對(duì)濕度為89%、溫度為20°C時(shí)測(cè)得的傳感性能。根據(jù)圖3和靈敏度的計(jì)算公式可知，本實(shí)施例的碳化硅納米紙濕度傳感器的靈敏度大約為16.5。本實(shí)施例的碳化硅納米紙濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間為碳化硅納米紙電阻變化值分別達(dá)到最大變化值的90%和10%所需要的時(shí)間，圖3的數(shù)據(jù)顯示其響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為41秒和124秒。由圖3可見(jiàn)，本實(shí)施例的碳化硅納米紙濕度傳感器不僅靈敏度能達(dá)到要求，而且響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間較短，可重復(fù)性好。
圖4表示本發(fā)明實(shí)施例中碳化硅納米紙濕度傳感器對(duì)不同濕度空氣的傳感性能，其數(shù)據(jù)是在20°C下的不同濕度環(huán)境中獲得的。由圖4中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，其在相對(duì)濕度為30%、15%,7.5%和3.75%的環(huán)境中靈敏度分別為4.1,2.6、1.8和1.3，可見(jiàn)，本實(shí)施例的碳化硅納米紙濕度傳感器對(duì)不同濕度的氣氛響應(yīng)呈線性變化。圖5為本發(fā)明碳化硅納米紙?jiān)诳諝庵械臒嶂厍€。由圖5可見(jiàn)，碳化硅納米紙?jiān)诘陀?30°C中空氣中氧化失重僅為總重量的4%，這主要是碳化硅納米紙中含有無(wú)定形碳氧化造成的。在高于730°C時(shí)，碳化硅納米紙被逐漸氧化為氧化硅而增重。將利用前述制備方法得到的碳化硅納米紙濕度傳感器用于某一室內(nèi)環(huán)境的濕度檢測(cè)，結(jié)果顯示，本發(fā)明濕度傳感器的與干濕球濕度計(jì)所測(cè)得的室內(nèi)相對(duì)濕度值相同(52%，室內(nèi)溫度15.4°C)，且響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均低于常規(guī)的干濕球濕度傳感器。實(shí)施例2:
一種如圖1所示本發(fā)明的碳化硅納米紙傳感器，該傳感器包括基材1、碳化硅納米紙2和兩個(gè)導(dǎo)電電極3，本實(shí)施例的基材I為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底，基材I表面覆蓋有碳化硅納米紙2，導(dǎo)電電極3為金電極，導(dǎo)電電極3與碳化硅納米紙2緊密結(jié)合在基材I表面，且導(dǎo)電電極3設(shè)置在基材I表面兩側(cè)的碳化硅納米紙2上，導(dǎo)電電極3之間的間隙連續(xù)鋪覆有碳化硅納米紙2，進(jìn)而形成一整體。上述的碳化硅納米紙傳感器中，碳化硅納米紙2是碳化硅納米線經(jīng)丙酮輔助壓縮后成型得到。碳化硅納米線的長(zhǎng)度大約為0.5cm。一種本實(shí)施例的碳化硅納米紙傳感器的制作方法，包括以下步驟:
(1)制作碳化硅納米線:將聚硅碳硅烷(4.0g)、二茂鐵(0.04g)以及活性炭粉末(5.0g)混合形成均勻的漿料，然后將漿料放入普通的瓷方舟中，在氬氣保護(hù)下，于水平剛玉管中以IO0C /min的速度升溫至1300°C，保溫Ih后自然降至室溫，在瓷方舟表面收集棉花蓬松狀碳化硅納米線產(chǎn)物；
(2)制作碳化硅納米紙:將步驟(I)中制得的碳化硅納米線置于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯基材I上，利用丙酮輔助壓縮法將碳化硅納米線壓縮為碳化硅納米紙2，形成負(fù)載有碳化娃納米紙2的基材I ;
(3)制作傳感器:將步驟(2)制得的負(fù)載有碳化硅納米紙2的基材I置于真空環(huán)境中(低于10Pa)，利用真空濺射法通過(guò)掩膜在基材I上沉積具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電電極3(金電極)，得到電阻型碳化硅納米紙傳感器。本實(shí)施例上述的碳化硅納米紙傳感器可在濕度測(cè)量中進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用時(shí)將各導(dǎo)電電極3通過(guò)導(dǎo)線接入一閉合電路中形成一濕度計(jì)(如圖1所示)。閉合電路中接入有高靈敏度電流計(jì)，利用標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境對(duì)本實(shí)施例的碳化硅納米紙傳感器進(jìn)行標(biāo)定，繪制相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，再利用該濕度計(jì)檢測(cè)待測(cè)環(huán)境時(shí)獲取的靈敏度值(靈敏度值可由電流值及上述計(jì)算公式換算得到)，并結(jié)合相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，即得到待測(cè)環(huán)境中的相對(duì)濕度值。且由于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯基材和碳化硅納米紙均具有一定的可變形性，因此可抵一定的機(jī)械沖擊。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅納米紙傳感器，其特征在于:所述傳感器為電阻型傳感器，所述傳感器包括基材、碳化硅納米紙和兩個(gè)導(dǎo)電電極，所述基材表面覆蓋有碳化硅納米紙，所述導(dǎo)電電極與碳化硅納米紙緊密結(jié)合在基材表面，導(dǎo)電電極之間的間隙連續(xù)鋪覆有碳化硅納米紙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅納米紙傳感器，其特征在于:所述碳化硅納米紙是碳化硅納米線經(jīng)有機(jī)溶劑輔助壓縮后成型得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化硅納米紙傳感器，其特征在于:所述碳化硅納米線的長(zhǎng)度至少為厘米級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的碳化硅納米紙傳感器，其特征在于:所述基材為剛性基材或有機(jī)聚合物柔性基材，所述有機(jī)溶劑為丙酮，所述導(dǎo)電電極為金電極。
5.一種碳化硅納米紙傳感器的制作方法，包括以下步驟: (1)將碳化硅納米線置于一基材上，利用有機(jī)溶劑輔助壓縮法將碳化硅納米線壓縮為碳化娃納米紙，形成負(fù)載有碳化娃納米紙的基材； (2)將所述的負(fù)載有碳化硅納米紙的基材置于真空環(huán)境中，利用真空濺射法通過(guò)掩膜在基材上沉積具有導(dǎo)電性能的導(dǎo)電電極，得到電阻型碳化硅納米紙傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述碳化硅納米線的制備包括以下步驟:將聚硅碳硅烷、二茂鐵和活性炭粉末混合形成均勻的漿料，然后將漿料放入舟皿中，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，降溫后即可在舟皿中收集得到棉花蓬松狀碳化硅納米線產(chǎn)物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述活性炭粉末、聚硅碳硅烷、二茂鐵的質(zhì)量比為(7 3): (2 6): (0.02 0.06)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述高溫焙燒處理時(shí)，升溫速率為5°C /min 10°C /min，燒結(jié)溫度為1300°C 1350°C，保溫時(shí)間為Ih 4h ;所述惰性氣氛為IS氣。
9.一種如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的或者如權(quán)利要求5 8中任一項(xiàng)制得的碳化硅納米紙傳感器在濕度測(cè)量中的應(yīng)用，應(yīng)用時(shí)將各導(dǎo)電電極通過(guò)導(dǎo)線接入一閉合電路中形成一濕度計(jì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于:所述閉合電路中接入有高靈敏度電流計(jì)，在特定溫度下，利用標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境對(duì)所述碳化硅納米紙傳感器進(jìn)行標(biāo)定，繪制特定溫度下的相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，再利用該濕度計(jì)在特定溫度下檢測(cè)待測(cè)環(huán)境時(shí)獲取的靈敏度值，并結(jié)合相對(duì)濕度-靈敏度關(guān)系曲線，即得到特定溫度下待測(cè)環(huán)境中的濕度值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳化硅納米紙傳感器，該傳感器為電阻型傳感器，其包括基材、碳化硅納米紙和兩個(gè)導(dǎo)電電極，基材表面覆蓋有碳化硅納米紙，導(dǎo)電電極與碳化硅納米紙緊密結(jié)合在基材表面，導(dǎo)電電極之間的間隙連續(xù)鋪覆有碳化硅納米紙；其制備方法包括將碳化硅納米線置于一基材上，利用有機(jī)溶劑輔助壓縮法將碳化硅納米線壓縮為碳化硅納米紙，再將基材置于真空環(huán)境中，利用真空濺射法通過(guò)掩膜在基材上沉積導(dǎo)電電極即得到傳感器。本發(fā)明的傳感器可通過(guò)導(dǎo)線接入一閉合電路中形成一濕度計(jì)，以測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度，具有耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、高靈敏度、且多選擇性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/04GK103196955SQ20131012274
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者李公義, 馬軍, 李義和, 胡天嬌, 彭剛, 李效東 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)