CN110849941B - 一种基于疏松碳结构与亲水聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于疏松碳结构与亲水聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置的制备方法，其属于湿度传感装置技术领域。该装置是一种基于疏松碳纳米薄膜结构表面覆盖亲水性聚合物材料的新型湿度传感器。通过在不同湿度变化下，复合材料吸附水分子的能力会发生变化，进而引起电阻变化来进行湿度传感。该装置通过在柔性衬底上制作一对有一定间隔的平行电极，并在平行电极之间的缝隙中沉积一层疏松碳纳米结构薄膜，最终将亲水性聚合物覆盖在疏松碳纳米结构薄膜表面而制成。该传感器通过将两种对环境湿度变化响应较小的物质结合，形成了一种具有较高湿度变化响应幅度的电阻式传感器。本发明具有制作简单，成本低廉，环境友好，可多次重复使用、实用性强等优点。

Description

一种基于疏松碳结构与亲水聚合物材料复合的电阻式湿度传 感装置的制备方法
技术领域
本发明涉及一种利用碳纳米结构和聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置，特别涉及一种利用疏松碳结构和亲水性聚合物材料复合的，制备简单，稳定性和可重复性高的电阻式湿度传感装置。
背景技术
早在1939年，就有人已经研究了依靠电阻变化的湿度传感器，但其检测范围过小，使用条件受限，所以未被广泛接纳。之后，随着研究发展，电阻湿度传感器技术已经相当成熟。2016年，Zou等人基于暴露在氢气中的以石英为基板、铂为电极、壳聚糖为传感材料的湿度响应质子传导传感器，发现了壳聚糖材料电阻随湿度变化的响应特征。（J. Zou et al.,IEEE Sensors Journal, 2016, vol 16, pp 8884-8889）。2019年，Dai等人研究了基于壳聚糖/氧化锌/单壁碳纳米管复合薄膜的湿度传感器，该传感器以氧化铝为基板，金属银为电极，在氧化锌和单壁碳纳米管的合成粉末上滴铸壳聚糖而形成。此传感器具有重复性好和良好的响应恢复能力的特点，但其灵敏度不甚理想。（H. Dai et al., Sensors andActuators B-Chemical, 2019, vol 283, pp 786-792）。同年，Wu等人进行了基于碳纳米线圈的快速响应和灵活性湿度传感器的研究。该传感器在液晶聚合物（LCP）上沉积金交叉指型电极，碳纳米线圈置于金电极的间隙中，经数据处理后可得到金电极两端的电阻值随湿度变化曲线。证实了它是具有高响应幅度和高稳定性的电阻式湿度传感器，但具有响应速度较慢的缺陷。(J. Wu et al., Acs Applied Materials & Interfaces, 2019, vol11, pp 4242-4251)。
发明内容
为了克服碳纳米结构自身吸水能力较弱，受湿度影响变化小的缺点，我们使用对水有一定吸附能力的聚合物材料作为改性材料，覆盖在碳纳米结构表面，使得双重复合膜对环境湿度的响应幅度明显增加。
本发明采用的技术方案为：一种基于通过电阻变化测量湿度的传感装置，所述湿度传感装置是一种基于平行导电电极之间的疏松碳纳米薄膜结构表面覆盖亲水性聚合物材料的新型电阻式湿度传感器。
一种基于疏松碳结构与聚合物材料复合的湿度传感装置的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备柔性基底并在其基底上面制备平行导电电极
制备聚二甲基硅氧烷并在其表面通过磁控溅射法制备200 nm的平行金电极，电极间隙为100 μm；
（2）疏松碳纳米薄膜结构沉积在平行电极间隙中
Fe2(SO4)3/SnCl2溶液作为催化剂前驱体滴在石英基板上，干燥后将该基板在710℃下煅烧30 min；再利用热化学气相沉积的方法在325 sccm流速的氩气环境下引入15sccm流速的乙炔气体并在710 ℃下煅烧30 min，在该基板表面合成碳纳米线圈；将基板置于乙醇中再放入超声波清洗仪中超声，即可得到碳纳米线圈分散液；将碳纳米线圈分散液滴入金电极间，在金电极上施加“5 V, 1 KHz”的交流电利用电泳方式沉积碳纳米线圈；
（3）亲水聚合物材料覆盖在疏松碳纳米薄膜表面
在碳纳米线圈上滴铸亲水聚合物材料溶液并干燥即可制得湿度传感装置；所述亲水聚合物材料采用壳聚糖或聚乙烯醇。
本发明使用电泳方法将疏松碳结构沉积在平行导电电极之间，亲水性聚合物材料覆盖其表面以制作在多孔网络碳结构上附着亲水性材料的复合结构。
本发明采用疏松碳结构表面覆盖亲水性聚合物材料的湿度传感器为装置，利用复合结构对水的可逆吸附能力较强，并以此测试环境湿度变化。
疏松碳结构自身吸附水分子，导致传感器电阻随吸附水分子的程度不同而变化。
亲水性聚合物材料也对水分子敏感，湿度变化其电阻也会发生相应的变化。
通过疏松碳结构与亲水性聚合物材料的结合，提高传感装置的湿度灵敏性及探测极限。
本发明的原理为疏松碳结构吸附水分子充当电子供体，从而降低电荷载流子浓度，增加电阻水平。亲水性聚合物材料渗透到多孔疏松碳结构混合网络中，提高碳结构电子跃迁难度从而进一步增加电阻响应幅度。由于该复合结构对水的吸附和脱附响应快，且对其微观结构影响不大，因此本发明重复性强。本发明在湿度上升与下降变化时，响应延迟低，稳定性良好。
本发明的有益效果为：为了更方便和高敏度测试湿度变化，该装置通过在疏松碳纳米结构表面覆盖亲水性聚合物材料而制成。疏松碳结构用来吸附水分子充当电子供体，从而降低疏松碳结构中电荷载流子浓度，增加电阻水平；亲水性聚合物材料渗透到多孔疏松碳结构混合网络中，提高疏松碳结构电子跃迁难度，二者形成的复合结构更是大大增加了电阻。相对于传统的电阻式湿度传感器，该装置在灵敏度和滞后效应方面均有提高。通过实验测试，该传感器在湿度由45%增加至85%时，电阻响应幅度达到了20%。
同时本发明还具有以下优点：制作十分简单且成本低廉；该装置可以长时间稳定工作；该器件对环境无污染，可以多次重复利用。
附图说明
图1是该湿度传感器件的示意图。
图2是不同湿度的基于碳纳米线圈表面覆盖聚乙烯醇的湿度传感器的拟合响应图。
图3是不同湿度的基于碳纳米线圈表面覆盖壳聚糖的湿度传感器的拟合响应图。
具体实施方式
本发明具体实施方法如下：
以下仅介绍利用碳纳米线圈表面覆盖壳聚糖/聚乙烯醇的湿度传感装置实例，并不能以此限定本发明的范围。
实施例1
1、碳纳米线圈分散液制备过程如下：
量取20 ml乙醇，将碳纳米线圈基板放入超声波清洗仪中超声1个小时，即可得到碳纳米线圈分散液。
2、配置壳聚糖溶液。称取壳聚糖粉末，并用乙酸溶液进行配置，最终配置为0.75%wt的壳聚糖溶液。
3、制备尺寸为3×1.5 cm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）：将液态PDMS与固化剂以10:1的比例进行混合，搅拌均匀，并倒入事先准备好的立方体模具中，使液态PDMS的厚度为500μm，再将装有液态PDMS的模具放入真空箱中抽真空，1个小时后，将其从真空箱中取出，放入60 ℃的恒温干燥箱中干燥30 min，使液态PDMS完全干燥成固态，得薄膜状的柔性湿度传感器衬底并将该衬底裁剪成3×1.5 cm2的尺寸。裁剪完成，在每个PDMS表面通过磁控溅射法制备200 nm的平行金电极，电极间隙为100 μm。
4、在金电极上用信号发生器施加“5 V, 1 KHz”的交流电利用电泳方式沉积碳纳米线圈，并用电阻表进行电阻测量，直至所测电阻不发生变化，即为沉积完成。
5、在碳纳米线圈上滴铸壳聚糖溶液至铺满（大约为20 μL）并干燥即可制备完成湿度传感器。
实施例2
1、碳纳米线圈分散液制备过程如下：
量取20 ml乙醇，将碳纳米线圈基板放入超声波清洗仪中超声1个小时，即可得到碳纳米线圈分散液。
2、配置3%wt的聚乙烯醇（聚合度为1788）溶液。
3、制备尺寸为3×1.5 cm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）：将液态PDMS与固化剂以10:1的比例进行混合，搅拌均匀，并倒入事先准备好的立方体模具中，使液态PDMS的厚度为500μm，再将装有液态PDMS的模具放入真空箱中抽真空，1个小时后，将其从真空箱中取出，放入60 ℃的恒温干燥箱中干燥30 min，使液态PDMS完全干燥成固态，得薄膜状的柔性湿度传感器衬底并将该衬底裁剪成3×1.5 cm2的尺寸。裁剪完成，在每个PDMS表面通过磁控溅射法制备200 nm的平行金电极，电极间隙为100 μm。
4、在金电极上用信号发生器施加“5 V, 1 KHz”的交流电利用电泳方式沉积碳纳米线圈，并用电阻表进行电阻测量，直至所测电阻不发生变化，即为沉积完成。
5、在碳纳米线圈上滴铸聚乙烯醇溶液至铺满（大约为20 μL）并干燥即可制备完成湿度传感器。
实施例3
1、测试过程
下图2与图3是将上述实施案例中制成的两种湿度传感器放入恒温恒湿箱所获得的相关实验数据。其中恒温恒湿箱设定的温度为25℃，湿度从45%增加至85%，每5%调节一次，相关电阻数据通过电阻表记录。
2、测试结果
记录的电阻值采用以下公式进行数据处理，得到两种湿度传感器的响应情况，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
（其中：NR是归一化电阻，△R是变化的电阻值，R0是初始电阻值）
3、基于碳纳米线圈表面覆盖聚乙烯醇的湿度传感器，相对湿度由45%至85%变化时，电阻响应幅度如图2所示。
4、基于碳纳米线圈表面覆盖壳聚糖的湿度传感器，相对湿度由45%至85%变化时，电阻响应幅度如图3所示。
5、由上述图像可知：基于碳纳米线圈表面覆盖壳聚糖的湿度传感器比基于碳纳米线圈表面覆盖聚乙烯醇的湿度传感器有更好的响应幅度和更好的重复性。

Claims (1)

1.一种基于疏松碳结构与亲水聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述湿度传感装置是基于平行导电电极之间的疏松碳纳米薄膜结构表面覆盖亲水性聚合物材料；
（1）制备柔性基底并在其基底上面制备平行导电电极
制备聚二甲基硅氧烷并在其表面通过磁控溅射法制备200 nm的平行金电极，电极间隙为100 μm；
（2）疏松碳纳米薄膜结构沉积在平行电极间隙中
Fe2(SO4)3/SnCl2溶液作为催化剂前驱体滴在石英基板上，干燥后将该基板在710 ℃下煅烧30 min；再利用热化学气相沉积的方法在325 sccm流速的氩气环境下引入15 sccm流速的乙炔气体并在710 ℃下煅烧30 min，在该基板表面合成碳纳米线圈；将基板置于乙醇中再放入超声波清洗仪中超声，即可得到碳纳米线圈分散液；将碳纳米线圈分散液滴入金电极间，在金电极上施加5 V, 1 KHz的交流电利用电泳方式沉积碳纳米线圈；
（3）亲水聚合物材料覆盖在疏松碳纳米薄膜表面
在碳纳米线圈上滴铸亲水聚合物材料溶液并干燥即可制得湿度传感装置；所述亲水聚合物材料采用壳聚糖或聚乙烯醇。
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