專利名稱：：一種微納濕度傳感器制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種傳感器的制備方法，尤其是一種微納濕度傳感器的制備方法，屬于微納傳感制作
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：納米材料被認(rèn)為是性能超群的敏感材料，在采用納米結(jié)構(gòu)作為敏感元件構(gòu)造電學(xué)傳感器時(shí)，通常需要將作為傳感材料的納米結(jié)構(gòu)排布或跨接在兩電極之間，以便利用將其特性隨測(cè)量對(duì)象的變化以電信號(hào)的形式傳出。所以有選擇地將納米材料安放到指定的位置，是納傳感器制備過程中首先要解決的問題。目前已公開的技術(shù)資料中一般采用以下幾種方法第一種方法是將含有傳感材料的懸浮液涂布在做好電極的襯底上，然后烘干，會(huì)有部分材料碰巧跨接在兩個(gè)電極之間。但通過這種方法做上去的材料分布和取向都很雜亂，而且涂布區(qū)域的選擇性也差。第二種方法是從一個(gè)電極向另一個(gè)電極定向生長(zhǎng)傳感材料，盡管這個(gè)過程是可控的，但這種方法也存在催化劑污染和差的選擇性問題，另外所能生長(zhǎng)的納米材料的種類也受到了限制。另外還有人通過儀器操控將目標(biāo)材料放入預(yù)先設(shè)計(jì)的位置，這種方法需要很長(zhǎng)的時(shí)間，昂貴的儀器和真空環(huán)境，而且對(duì)于納米材料的操作難度很大。所以沒有很大的商業(yè)價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服微納傳感器制作中已有材料定位技術(shù)的不足，提出新的技術(shù)操控納米材料，來簡(jiǎn)單而有效地完成傳感材料的跨接和排布等定位問題。這種微納濕度傳感器的制備方法，其特征是A、首先通過微加工技術(shù)在絕緣襯底上做出一層或多層平面金屬電極；B、而后將傳感納米材料放入一種電介質(zhì)溶劑中，并通過超聲使其擴(kuò)散均勻制成含有納米材料的懸浮液；取少量懸浮液滴入微電極中間，根據(jù)被操控材料和所選用溶劑的介電特性，確定在該系統(tǒng)中產(chǎn)生正介電泳現(xiàn)象所要施加操控信號(hào)的頻率范圍，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率值，在電極兩端施加一個(gè)同樣頻率的交流電信號(hào)，使位于其間的傳感材料在正介電泳力作用下沿著電場(chǎng)線方向有序的排布在電極中間，形成納米傳感材料在微電極結(jié)構(gòu)中的排布和跨接；C、以揮發(fā)等方式完全去除溶劑后，進(jìn)行傳感結(jié)構(gòu)引線封裝做成最終微納濕度傳感器。這種操控不受材料本身導(dǎo)電特性，材料形狀等的限制，原則上適用于所有的納米結(jié)構(gòu)材料；該材料可以是金屬氧化物或者高分子聚合物。同時(shí)可任意選擇一種電介質(zhì)溶劑作為材料操控的載體，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用去離子水、乙醇或丙酮作電介質(zhì)溶劑。根據(jù)以上技術(shù)方案制成微納濕度傳感器，通過介電泳技術(shù)制作傳感器的方法具有以下的優(yōu)點(diǎn)1、這種操控不受材料本身導(dǎo)電特性，材料形狀等的限制，原則上適用于所有的納米結(jié)構(gòu)；原則上可以任意選擇一種電介質(zhì)溶劑作為材料操控的載體，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用去離子水、乙醇、丙酮等。2、傳感材料分布規(guī)律有序，定位區(qū)域選擇性好；3、生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境要求不高，生產(chǎn)成本較低。圖14在1Vrms，頻率分別為10KHz、lKHz、120Hz、100Hz條件下阻抗隨濕度變化的擬合直線示意圖；圖5為1Vrms，10KHz條件下，相對(duì)濕度由低到高的方向，全程連續(xù)3次重復(fù)測(cè)量阻抗隨濕度變化的曲線示意圖；圖6為1Vrms，lKHz條件下阻抗隨濕度變化的正反行程曲線示意圖；表l圖1-4中四個(gè)不同頻率下的傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度分析；表2圖2中阻抗隨濕度變化的重復(fù)性分析。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明，并給出實(shí)施例。這種微納濕度傳感器的制備方法如下-A、首先通過微加工技術(shù)在絕緣襯底上做出一層或多層平面金屬電極；B、而后將傳感納米材料放入一種電介質(zhì)溶劑中，并通過超聲使其擴(kuò)散均勻制成含有納米材料的懸浮液；取少量懸浮液滴入微電極中間，根據(jù)被操控材料和所選用溶劑的介電特性，確定在該系統(tǒng)中產(chǎn)生正介電泳現(xiàn)象所要施加操控信號(hào)的頻率范圍，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率值。在電極兩端施加一個(gè)同樣頻率的交流電信號(hào)，使位于其間的傳感材料在正介電泳力作用下沿著電場(chǎng)線方向有序的排布在電極中間，形成納米傳感材料在微電極結(jié)構(gòu)中的排布和跨接；C、以揮發(fā)等方式完全去除溶劑后，進(jìn)行傳感結(jié)構(gòu)引線封裝做成最終微納濕度傳感器。這種操控不受材料本身導(dǎo)電特性，材料形狀等的限制，原則上適用于所有的納米結(jié)構(gòu)材料；該材料可以是金屬氧化物或者高分子聚合物，材料的幾何形狀是球形或棒形。同時(shí)，可任意選擇一種電介質(zhì)溶劑作為材料操控的載體，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用去離子水、乙醇、丙酮?，F(xiàn)在通過采用ZnO納米結(jié)構(gòu)作為傳感材料進(jìn)一步描述本發(fā)明通過介電泳技術(shù)定位到平板叉指型電極結(jié)構(gòu)之間，制作出一種納米濕度傳感器。首先采用微加工技術(shù)制作一個(gè)平板叉指型Ti/Au微電極。通過氧化在硅片的表面生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上分別以蒸鍍的方式先沉積一層Ti再沉積一層Au，然后旋涂正(光刻)膠、前烘、光刻、顯影、后烘堅(jiān)膜，再進(jìn)行Au、Ti的腐蝕，完成微電極制作。而后將待操控的納米材料溶入去離子水中，然后將懸浮液放入超聲池超聲20min。用移液器取少量懸浮液移入電極中間區(qū)。根據(jù)去離子水和ZnO材料的介電特性，當(dāng)操控交流信號(hào)的頻率在lKHz-10KHz之間時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)較明顯的負(fù)介電泳現(xiàn)象，當(dāng)頻率在200KHz-2MHz之間時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)較明顯的正介電泳現(xiàn)象。采用DDS任意波形發(fā)生器在電極的兩端施加頻率為lMHz、幅度為8V的正弦交流信號(hào)，在電極之間對(duì)材料進(jìn)行正介電泳操控，在室溫下直至溶劑完全揮發(fā)，這樣Zn0納米結(jié)構(gòu)就被定位到平板叉指型電極之間了。由于ZnO納米結(jié)構(gòu)對(duì)濕度具有很好的吸附和解吸附性能，是一種很好的濕敏材料。所采用的ZnO納米結(jié)構(gòu)采用溶膠-凝膠法生長(zhǎng)，所生長(zhǎng)的納米棒直徑在200nm，長(zhǎng)度在10pm。在實(shí)際的制作中，這種操控不受材料本身導(dǎo)電特性，材料形狀等的限制，原則上適用于所有的納米結(jié)構(gòu)；原則上可以任意選擇一種電介質(zhì)溶劑作為材料操控的載體，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用去離子水、乙醇或丙酮作電介質(zhì)溶劑。為了檢驗(yàn)操控的效果，對(duì)所制作的傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行相對(duì)濕度測(cè)試加以校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中所需要的標(biāo)準(zhǔn)濕度通過鹽的飽和溶液法產(chǎn)生。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，實(shí)驗(yàn)溫度為25。C時(shí)，取CuS04,NaCl，CuCl2，NaBr,K2C03，MgCL等6種飽和鹽溶液，它們的相對(duì)濕度值分別為97.6%,75.29%，68%，57.57%，43.16%，32.78%，將傳感結(jié)構(gòu)兩個(gè)接入端連接到LCR電橋阻抗測(cè)量?jī)x進(jìn)行交流阻抗測(cè)量。1.靈敏度在lVrms、lOKHz條件下，先按相對(duì)濕度遞增的順序，切換不同相對(duì)濕度的樣品環(huán)境，記錄六個(gè)測(cè)量值。再按相對(duì)濕度遞減的順序測(cè)量，往返測(cè)量3次，取得6組測(cè)量值。分別取頻率為lKHz、120Hz、100Hz,重復(fù)上面的操作。將同一測(cè)量條件下對(duì)應(yīng)于每個(gè)相對(duì)濕度值的多次測(cè)量值加以平均，求出三個(gè)正反行程的實(shí)測(cè)平均值，并進(jìn)行線性擬合，我們可以得到在四個(gè)不同頻率下,交流阻抗隨相對(duì)濕度變化的擬合直線，如圖1-4所示。表1圖1中四個(gè)不同頻率下的傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度分析測(cè)試頻率擬合直線方程靈敏度相關(guān)度R卜10KHzY=2982,61838-28.52914x-28.52R=-0.99何KHzy=10641.06644-120.86474x-120.86R=-0.91—120Hzy=12643.22544-144.56975x-144.56R=-0.90fH00Hzy=12887.8662-146"0763x-146.卯R=-0.90從表1中可以看到，在不同的測(cè)試頻率下，各條擬合直線的斜率都是負(fù)值，說明傳感結(jié)構(gòu)的交流阻抗隨著測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度的增大而明顯地逐漸減小。擬合直線的斜率的絕對(duì)值即為傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度?？梢钥吹诫S著測(cè)試頻率的降低，擬合直線的斜率的絕對(duì)值變大，說明傳感結(jié)構(gòu)對(duì)相對(duì)濕度的靈敏度增高；同時(shí)，相關(guān)系數(shù)大小隨測(cè)試頻率的降低有微小波動(dòng)并趨于變小，但總體數(shù)值較高，說明傳感結(jié)構(gòu)在不同測(cè)試頻率條件下都具有較好的穩(wěn)定性，并且在高頻條件下會(huì)更穩(wěn)定。2.重復(fù)性在lVrms、10KHz條件下，按測(cè)試環(huán)境的相對(duì)濕度由低到高的方向作全程連續(xù)3次重復(fù)測(cè)量，濕度傳感結(jié)構(gòu)的阻抗隨濕度變化的曲線如圖2所示。從圖中可以看到，傳感結(jié)構(gòu)具有較好的重復(fù)性。表2是圖2中阻抗隨濕度變化的重復(fù)性分析，先求出3次測(cè)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)一步可以得到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。表2圖2中阻抗隨濕度變化的重復(fù)性分析<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從表2中可以看到，隨著測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度增大，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差趨于變大，說明在低濕條件下，傳感結(jié)構(gòu)的阻抗測(cè)量值之間的接近程度越好，重復(fù)性越好。3.濕滯及響應(yīng)時(shí)間在1Vrms、lKHz的條件下，先按相對(duì)濕度值遞增的順序測(cè)試一次，再按相反的濕度遞減方向測(cè)試一次。可以得到阻抗隨濕度變化的正反行程曲線，如圖3所示。圖中位置較上的曲線是傳感結(jié)構(gòu)的濕度遞增阻抗變化曲線(正行程)，和下面的濕度遞減阻抗變化曲線(反行程)比較，可以看到，對(duì)于同一個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)，在正行程中的測(cè)量值總是稍高于在反行程中的測(cè)量值，并且在正行程中的響應(yīng)時(shí)間總是要比在反行程中響應(yīng)時(shí)間短，可能是由于吸濕比脫濕容易的原因。在同一個(gè)測(cè)試行程中，無論是正行程還是反行程，低濕度時(shí)吸濕與脫濕都較快，而高濕度時(shí)，開始吸濕很快，接近飽和吸濕變慢，這與多層吸附理論一致。介電泳技術(shù)是一種基于Maxwell經(jīng)典電磁場(chǎng)理論的操控技術(shù)。根據(jù)介電泳理論，任何材料都會(huì)有一定的介電特性，在外加電場(chǎng)的作用下，它們會(huì)受到不同程度的(電偶)極化，趨于順著外加電場(chǎng)方向來排列分布。如果外加電場(chǎng)空間分布不均勻，這些被極化的微粒就會(huì)受到一份凈作用力，即介電泳力，進(jìn)而造成不同程度的漂移。根據(jù)電磁理論，在外加電場(chǎng)￡作用下，介電微粒發(fā)生極化，形成感生電偶極子，它的感生電偶極矩？與S成正比Poc￡(1)如果存在一定的電場(chǎng)梯度，則電偶極子在電場(chǎng)中受力P可以表示為(2)懸浮液的介電常數(shù)為^，可知(3)(4)為電場(chǎng)的均方根，theClausius—Mosottifactor的實(shí)部，且假設(shè)微粒的半徑為r，介電常數(shù)為f。—s，一i^4;^-^~^3五聯(lián)合(2)、(3)式可得尸腺=2由斥)氛/)其中V為微粒的體積，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(5)式中的"*"表示復(fù)合介電常數(shù)值，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(6)必在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，(6)式還要考慮微粒和懸浮液與微粒界面出形成的雙電層的表面電導(dǎo)。對(duì)于球狀微粒，0.5,+1.0)當(dāng)機(jī)《)>0時(shí)，微粒受到引力作用而趨于強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，我們稱之為正介電泳，到達(dá)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域后由于引力的作用，微粒將不再離開。當(dāng)*()<0時(shí)，微粒受到斥力作用而趨于弱電場(chǎng)區(qū)域，我們稱之為負(fù)介電泳，到達(dá)場(chǎng)弱區(qū)域后由于介電泳力很小或?yàn)榱悖⒘Ｒ矊⒉辉僖苿?dòng)。雖然(4)式只適用于球狀粒子，但扁長(zhǎng)形的微粒更容易沿長(zhǎng)軸方向發(fā)生極化，更適于介電泳操控,如DNA、納米管和納米線等。所以在很多實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中，人們都選擇條形材料作為操控對(duì)象。因?yàn)椤?w)的值是由頻率決定，所以通過改變電場(chǎng)頻率，在同一系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)正和負(fù)介電泳。根據(jù)被操控的材料和所采用的電介質(zhì)溶劑的介電特性，可以確定在系統(tǒng)中產(chǎn)生正或負(fù)介電泳所要施加電信號(hào)的頻率范圍，所以只要在預(yù)先設(shè)置的電極結(jié)構(gòu)兩端施加一個(gè)適當(dāng)頻率和一定幅值的交流信號(hào)，來產(chǎn)生可控的電場(chǎng)及電場(chǎng)梯度，就可以使系統(tǒng)處于正介電泳狀態(tài)。在正介電泳力作用下，微粒將被吸引到強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，亦即一般電極尖角的邊緣，從而可以實(shí)現(xiàn)納米傳感材料在兩電極間的排列和跨接。權(quán)利要求1、一種微納濕度傳感器的制備方法，其特征是A、首先通過微加工技術(shù)在絕緣襯底上做出一層或多層平面金屬微電極；B、而后將傳感納米材料放入一種電介質(zhì)溶劑中，并通過超聲使其擴(kuò)散均勻制成含有納米材料的懸浮液；取少量懸浮液滴入微電極中間，根據(jù)被操控材料和所選用溶劑的介電特性，確定在該系統(tǒng)中產(chǎn)生正介電泳現(xiàn)象所要施加操控信號(hào)的頻率范圍，從中選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率值；在電極兩端施加一個(gè)同樣頻率和一定幅值的交流電信號(hào)，使位于其間的傳感材料在正介電泳力作用下沿著電場(chǎng)線方向有序的排布在電極中間，形成納米傳感材料在微電極結(jié)構(gòu)中的排布和跨接；C、以揮發(fā)等方式完全去除溶劑后，進(jìn)行傳感結(jié)構(gòu)引線封裝做成最終微納濕度傳感器。2、如權(quán)利要求1所述的一種微納濕度傳感器的制備方法，其特征是這種操控不受材料本身導(dǎo)電特性，材料形狀等的限制，適用于所有的納米結(jié)構(gòu)材料；任意選擇一種電介質(zhì)溶劑作為材料操控的載體；在實(shí)際應(yīng)用中，常采用去離子水、乙醇或丙酮作電介質(zhì)溶劑。全文摘要一種新型的微納濕度傳感器的制備方法A.首先通過微加工技術(shù)在絕緣襯底上做出一層或多層平面金屬微電極；B.而后將傳感納米材料放入一種電介質(zhì)溶劑中，并通過超聲使其擴(kuò)散均勻制成含有納米材料的懸浮液；取少量懸浮液滴入微電極中間，根據(jù)被操控材料和所選用溶劑的介電特性，確定在該系統(tǒng)中產(chǎn)生正介電泳現(xiàn)象所要施加操控信號(hào)的頻率范圍，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率值。在電極兩端施加一個(gè)同樣頻率的交流電信號(hào)，使位于其間的傳感材料在正介電泳力作用下沿著電場(chǎng)線方向有序的排布在電極中間，形成納米傳感材料在微電極結(jié)構(gòu)中的排布和跨接；C.以揮發(fā)等方式完全去除溶劑后，進(jìn)行傳感結(jié)構(gòu)引線封裝做成最終微納濕度傳感器。文檔編號(hào)G01N27/12GK101221143SQ200710172468公開日2008年7月16日申請(qǐng)日期2007年12月18日優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日發(fā)明者劉偉景,健張,蔣珂瑋申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)