CN113567432A - 仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件、制备方法及湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件、制备方法及湿度传感器，属于湿度传感器技术领域，其包括基膜，基膜的表面具有规则排布的反蛋白石多层结构；反蛋白石多层结构为若干紧密排列或等间距排列的凹坑；凹坑内部具有TiO2层和氧化铝层交替沉积形成的多层膜。本发明提供的仿生湿度传感元件在不使用光谱仪测试反射光谱的情况下，湿度变化可以实现传感元件表面肉眼可见的颜色变化；同时，本发明中所述传感元件和光谱仪连接或封装于光电印制电路板中可实现在高温和恶劣环境中对湿度的检测；此外，本发明中的湿度传感器敏感元件制备工艺简单，成本低，灵敏度高，响应迅速，测量范围广且抗干扰能力强，应用前景广阔。

Description

仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件、制备方法及湿度传感器
技术领域
本发明属于湿度传感器技术领域，具体涉及一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件、制备方法及湿度传感器。
背景技术
随着现代智能化的发展，传感器作为人类感官的眼神拓展扮演着越来越重要的角色。湿度传感器作为最常见的传感器之一，现有湿度传感器多为电学式湿度传感器，其在低温条件下(通常指100℃以下)的湿度测量已经相当成熟，但在高温环境下的湿度测量，在测量范围、精度、响应时间、组件使用寿命等方面还存着局限性。此外，在恶劣条件下，如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈以及有严重污染的工业气体中，电子器件中的半导体元件的湿度测量精度会大幅度降低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，包括基膜，所述基膜的表面具有规则排布的反蛋白石多层结构。
进一步地，所述规则排布的反蛋白石多层结构为若干紧密排列或等间距排列的凹坑；所述凹坑内部具有TiO2层和氧化铝层交替沉积形成的多层膜。
进一步地，所述多层膜的层数至少为10层；每层所述TiO2层的厚度相同；每层所述氧化铝的厚度相同。
进一步地，所述凹坑为半球形，深度为2.5-5μm。
进一步地，单层所述TiO2层的厚度为55±4nm，单层所述氧化铝层的厚度为80±4nm。
进一步地，所述基膜表面的反蛋白石多层结构是通过二次模板法复制得到，具体是在经过亲水处理的衬底表面通过胶体自组装的方式将粒径为2.5-5μm的单分散微球组装成一层规则排列的球状结构，利用二次模板法复制出其反结构，反结构即为凹坑状结构。
进一步地，所述基膜是掺杂碳黑后的混合薄膜，厚度为1-5mm，尺寸依据应用场景的需求切割成不同尺寸，边长尺寸范围为1-20mm。
一种上述任一项所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，包括以下步骤：
S10、对衬底进行亲水处理，洗净干燥备用；
S20、将质量分数为0.25％的单分散微球胶粒悬浊液充分分散开，倒入大培养皿中；
S30、在一定温度下使小球在硅片自组装形成一层单层薄膜；
S40、在所述衬底上涂覆柔性材料并使其固化；
S50、将所述柔性材料与所述衬底剥离，得到了具有反蛋白石结构的仿生湿度传感薄膜；
S60、在所述仿生湿度传感薄膜上交替沉积11层TiO2和氧化铝形成多层膜；
S70、对所述多层膜的表面进行亲水吸湿处理，即得到仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件。
进一步地，步骤S10中所使用的所述衬底为SiO2、载玻片、钢化玻璃或表面光滑平整的玻璃薄片中的一种；亲水处理的方法为使用食人鱼溶液浸泡或使用氧离子刻蚀法中的一种；
步骤S20中使用的所述微球为聚苯乙烯微球、二氧化硅微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种；所述胶粒悬浊液充分分散开的方法为超声震荡法或磁力搅拌法中的一种；所用的分散溶剂为无水乙醇和超纯水；
步骤S30中自组装的方法为自然沉降法、旋涂法、垂直沉积法、对流自组装法、气液界面组装法或胶体外延法中的一种；
步骤S40中的所述柔性材料为聚酰亚胺、聚酯薄膜、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或硅胶中的一种；
步骤S60中的所述交替沉积的方法为化学气相沉积法或原子层沉积法；
步骤S70中的亲水吸湿处理的方法为氧离子刻蚀法或食人鱼溶液浸泡。
一种湿度传感器，包括上述任一项所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，所述湿度传感器还包括发射部、接收部、第一PCB板层和第二PCB板层，所述第一PCB板层和所述第二PCB板层之间设置有光波导层，所述第一PCB板层上设置有进光孔和出光孔；所述发射部包括驱动模块和VCSEL阵列，所述驱动模块驱动所述VCSEL阵列对应所述进光孔产生红外光源；所述接收部包括接收模块和PD阵列，所述接收模块驱动PD阵列对应所述出光孔接收反射光源信号；所述敏感元件倾斜设置在所述光波导层内，并与所述进光孔对应设置；在所述光波导层内，对应所述出光孔倾斜设置有反射镜，以实现所述驱动模块驱动所述VCSEL阵列产生红外光源依次经敏感元件和所述反射镜后由所述接收模块驱动所述PD阵列进行接收。
有益效果：
本发明提供的仿生湿度传感元件在不使用光谱仪测试反射光谱的情况下，湿度变化可以实现传感元件表面肉眼可见的颜色变化。
同时，本发明中所述传感元件和光谱仪连接或封装于光电印制电路板中可实现在高温和恶劣环境中对湿度的检测。
此外，本发明中的湿度传感器敏感元件制备工艺简单，成本低，灵敏度高，响应迅速，测量范围广且抗干扰能力强，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明中提到的蝶翅的表面形貌扫描电镜图片；
图2为本发明的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的截面结构图；
图3为本发明的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的放大图；
图4为实施例4中的一种湿度传感器示意图；
其中，1、驱动模块；2、VCSEL阵列；3、第一PCB板层；4、敏感元件；5、光波导层；6、反射镜；7、接收模块；8、PD阵列；9、第二PCB板层。
具体实施方式
实施例1
一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，包括基膜，基膜的表面具有规则排布的反蛋白石多层结构。
其中，规则排布的反蛋白石多层结构为若干紧密排列或等间距排列的凹坑；凹坑内部具有TiO2层和氧化铝层交替沉积形成的多层膜。
多层膜的层数至少为10层；每层TiO2层的厚度相同；每层氧化铝的厚度相同。
其中，多层膜的层数在10层以上足以达到95％以上的峰值反射率。当光线垂直照射在仿生结构表面时，表面显现出绿色。
在本实施例中，多层膜的层数为11层。
在本实施例中，凹坑为半球形，深度为2.5-5μm。
在本实施例中，单层TiO2层的厚度为55±4nm，单层氧化铝层的厚度为80±4nm。
在本实施例中，基膜表面的反蛋白石多层结构是通过二次模板法复制得到，具体是在经过亲水处理的衬底表面通过胶体自组装的方式将粒径为2.5-5μm的单分散微球组装成一层规则排列的球状结构，利用二次模板法复制出其反结构，反结构即为凹坑状结构。
其中，基膜是掺杂碳黑后的混合薄膜，厚度为1-5mm，尺寸可依据应用场景的需求切割成不同尺寸，边长尺寸范围为1-20mm。
本实施例提供的一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，受蝶翅表面鳞片规则的凹坑状结构启发，得到了在聚二甲基硅氧烷基底上的仿生湿度传感结构，该仿生湿度传感结构与原始蝶翅的凹坑结构相似。
实施例2
本实施为实施例1中提供的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，包括以下步骤：
S10、对衬底进行亲水处理，洗净干燥备用。
在本实施例中，所使用的衬底为SiO2、载玻片、钢化玻璃或表面光滑平整的玻璃薄片中的一种；亲水处理的方法为使用食人鱼溶液浸泡或使用氧离子刻蚀法中的一种。
S20、将质量分数为0.25％的单分散微球胶粒悬浊液充分分散开，倒入大培养皿中；
在本实施例中，使用的微球为聚苯乙烯微球、二氧化硅微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种；胶粒悬浊液充分分散开的方法为超声震荡法或磁力搅拌法中的一种；所用的分散溶剂为无水乙醇和超纯水。
S30、在一定温度下使小球在硅片自组装形成一层单层薄膜；
在本实施例中，自组装的方法为自然沉降法、旋涂法、垂直沉积法、对流自组装法、气液界面组装法或胶体外延法中的一种；
S40、在衬底上涂覆柔性材料并使其固化。
在本实施例中，柔性材料为聚酰亚胺、聚酯薄膜、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或硅胶中的一种；
S50、将柔性材料与衬底剥离，得到了具有反蛋白石结构的仿生湿度传感薄膜。
S60、在仿生湿度传感薄膜上交替沉积11层TiO2和氧化铝形成多层膜；
在本实施例中，交替沉积的方法为化学气相沉积法或原子层沉积法；
S70、对多层膜的表面进行亲水吸湿处理，即得到仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件。
在本实施例中，亲水吸湿处理的方法为氧离子刻蚀法或食人鱼溶液浸泡。
实施例3
本实施例提供的一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，具体地，包括以下步骤：
利用食人鱼刻蚀液对载玻片进行亲水处理后，利用无水乙醇和超纯水将质量分数0.25％的单分散聚苯乙烯球胶粒悬浮液超声震荡30min分散。
用气液界面组装法把小球转移到硅片上来，然后让硅片上的溶液自然蒸发，小球就在硅片上形成一层单分散薄膜。
接着在载玻片上滴加混合了碳黑的聚二甲基硅氧烷和固化剂，并将其放入烘箱在70℃的温度下加热3h使其固化。
移除载玻片，得到了具有反蛋白石结构的聚二甲基硅氧烷薄膜。薄膜厚度为3mm。
最后，利用原子层沉积的方法向该薄膜上交替沉积TiO2和氧化铝共形多层膜共11层，再对其表面进行氧离子刻蚀，即得到了仿蝶翅鳞片凹坑结构的湿度传感元件。
该实施例制备的敏感元件显现出肉眼可见的绿色。
实施例4
一种湿度传感器，包括实施例1提供的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件4，湿度传感器还包括发射部、接收部、第一PCB板层3和第二PCB板层9，第一PCB板层3和第二PCB板层9之间设置有光波导层5，第一PCB板层3上设置有进光孔和出光孔；发射部包括驱动模块1和VCSEL阵列2，驱动模块1驱动VCSEL阵列2对应进光孔产生红外光源；接收部包括接收模块7和PD阵列8，接收模块7驱动PD阵列8对应出光孔接收反射光源信号；敏感元件4倾斜设置在光波导层5内，并与进光孔对应设置；在光波导层5内，对应出光孔倾斜设置有反射镜6，以实现驱动模块1驱动VCSEL阵列2产生红外光源依次经敏感元件4和反射镜6后由接收模块7驱动PD阵列8进行接收。
其中，光波导层可以是聚碳酸酯或环氧树脂中的一种；驱动模块为驱动VCSEL阵列产生红外光源和接收模块为接受反射光源信号，需外接信号处理***。
本发明的湿度敏感原理是当经过亲水处理的吸湿表面吸收到空气中的水分后，水会填充在反蛋白石凹坑的内部，导致传感元件表面的光学性质发生改变，通过元件表面反射率的变化从而检测到空气中湿度的变化。
另外，光纤湿度传感器具有灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻、抗干扰能力强等优点，测量湿度能精确到小数点后2-3位，响应时间不到一秒钟。光纤式湿度传感器体积小，能够实现一些精密结构环境内的湿度测量，且抗干扰能力强，当时湿度快速变化时空气中凝结的小水滴不易对其造成影响，在电磁干扰、较高温度环境下依旧能够正常工作。
自然界中的蝴蝶翅膀表面具有天然的反蛋白石结构，本发明将这种规则排布的反蛋白石结构引入到湿敏材料的表面，大大提高了湿度测量精度；且通过设计光学湿敏材料，这种湿度传感器敏感元件可以实现高温环境以及恶劣条件下的湿度测量。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，包括基膜，所述基膜的表面具有规则排布的反蛋白石多层结构。
2.根据权利要求1所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述规则排布的反蛋白石多层结构为若干紧密排列或等间距排列的凹坑；所述凹坑内部具有TiO2层和氧化铝层交替沉积形成的多层膜。
3.根据权利要求2所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述多层膜的层数至少为10层；每层所述TiO2层的厚度相同；每层所述氧化铝的厚度相同。
4.根据权利要求3所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述凹坑为半球形，深度为2.5-5μm。
5.根据权利要求4所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，单层所述TiO2层的厚度为55±4nm，单层所述氧化铝层的厚度为80±4nm。
6.根据权利要求5所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述基膜表面的反蛋白石多层结构是通过二次模板法复制得到，具体是在经过亲水处理的衬底表面通过胶体自组装的方式将粒径为2.5-5μm的单分散微球组装成一层规则排列的球状结构，利用二次模板法复制出其反结构，反结构即为凹坑状结构。
7.根据权利要求1所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述基膜是掺杂碳黑后的混合薄膜，厚度为1-5mm，尺寸依据应用场景的需求切割成不同尺寸，边长尺寸范围为1-20mm。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、对衬底进行亲水处理，洗净干燥备用；
S20、将质量分数为0.25％的单分散微球胶粒悬浊液充分分散开，倒入大培养皿中；
S30、在一定温度下使小球在硅片自组装形成一层单层薄膜；
S40、在所述衬底上涂覆柔性材料并使其固化；
S50、将所述柔性材料与所述衬底剥离，得到了具有反蛋白石结构的仿生湿度传感薄膜；
S60、在所述仿生湿度传感薄膜上交替沉积11层TiO2和氧化铝形成多层膜；
S70、对所述多层膜的表面进行亲水吸湿处理，即得到仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件。
9.根据权利要求8所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，其特征在于，步骤S10中所使用的所述衬底为SiO2、载玻片、钢化玻璃或表面光滑平整的玻璃薄片中的一种；亲水处理的方法为使用食人鱼溶液浸泡或使用氧离子刻蚀法中的一种；
步骤S20中使用的所述微球为聚苯乙烯微球、二氧化硅微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种；所述胶粒悬浊液充分分散开的方法为超声震荡法或磁力搅拌法中的一种；所用的分散溶剂为无水乙醇和超纯水；
步骤S30中自组装的方法为自然沉降法、旋涂法、垂直沉积法、对流自组装法、气液界面组装法或胶体外延法中的一种；
步骤S40中的所述柔性材料为聚酰亚胺、聚酯薄膜、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或硅胶中的一种；
步骤S60中的所述交替沉积的方法为化学气相沉积法或原子层沉积法；
步骤S70中的亲水吸湿处理的方法为氧离子刻蚀法或食人鱼溶液浸泡。
10.一种湿度传感器，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，所述湿度传感器还包括发射部、接收部、第一PCB板层和第二PCB板层，所述第一PCB板层和所述第二PCB板层之间设置有光波导层，所述第一PCB板层上设置有进光孔和出光孔；所述发射部包括驱动模块和VCSEL阵列，所述驱动模块驱动所述VCSEL阵列对应所述进光孔产生红外光源；所述接收部包括接收模块和PD阵列，所述接收模块驱动PD阵列对应所述出光孔接收反射光源信号；所述敏感元件倾斜设置在所述光波导层内，并与所述进光孔对应设置；在所述光波导层内，对应所述出光孔倾斜设置有反射镜，以实现所述驱动模块驱动所述VCSEL阵列产生红外光源依次经敏感元件和所述反射镜后由所述接收模块驱动所述PD阵列进行接收。
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