專利名稱：石墨烯薄膜濕度傳感器的制作方法
技術領域：
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石墨烯薄膜濕度傳感器。
背景技術：
濕度傳感器在傳感器領域具有重要的影響力和廣泛的應用背景，不僅直接影響著人類基本的生活條件，而且對工農(nóng)業(yè)、生物制品、醫(yī)藥衛(wèi)生、國防建設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外界環(huán)境濕度的器件，它將檢測到的濕度信號轉化為便于處理、傳送、顯示、記錄的信號。目前濕度傳感器主要包括電解質型、半導體陶瓷型及高分子聚合物型等種類，電解質類濕度傳感器原理簡單成本低廉，但不能長期應用于高濕環(huán)境中；半導體陶瓷類濕敏器件性能穩(wěn)定，檢測范圍寬，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用較為廣泛，但存在著長期穩(wěn)定性差和響應時間較長等缺點。因此，尋求新型敏感材料已成為濕度傳感器發(fā)展的一個重要方向。隨著科技的不斷發(fā)展，納米技術已經(jīng)成為非常熱門的領域，它的應用范圍也在不斷擴大。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈 海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，兩人因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”而共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯作為一種完全由SP2雜化的碳原子構成的二維晶體材料，厚度僅為單原子層(0.335nm)，具有高強度及柔韌性、透光性和導電性、高比表面積及高表面吸附能力等優(yōu)異的性能，在高性能納電子器件、氣體傳感器、光電器件、復合材料、場發(fā)射材料及能量存儲等領域引起科學家的廣泛關注。石墨烯的發(fā)現(xiàn)為研發(fā)新型濕敏傳感器提供了一種新途徑。特別是石 墨烯具有非常大的比表面積，與周圍介質之間有很強的相互作用，對外界環(huán)境的濕度敏感，是制作濕敏傳感器敏感膜的理想材料。目前，石墨烯薄膜的組裝制備成為制約其器件發(fā)展的瓶頸，溶液共混法制備薄膜是廣泛采用的一種方法，但易發(fā)生成膜團聚而影響薄膜均勻性和質量。本發(fā)明采用靜電誘導自組裝與溶劑蒸發(fā)誘導自組裝技術相結合的方法，在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構筑石墨烯基薄膜，制備了一種石墨烯薄膜濕敏傳感器，具有方法簡單、吸附力強、成本低廉、響應速度快、靈敏度高等特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有石墨烯薄膜制備方法上的不足，提供一種方便有效的自組裝制備方法，并制作了在較寬濕度范圍內(nèi)，響應和恢復速率較快，室溫下可測量的石墨烯薄膜濕度傳感器，設有柔性聚合物襯底、梳狀叉指電極、石墨烯基濕敏薄膜、電阻拾取電路板、電極插針、透氣外殼，引線孔。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，采用靜電誘導自組裝與溶劑蒸發(fā)誘導自組裝技術相結合的方法，在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構筑石墨烯基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成濕度傳感器，通過檢測薄膜電阻值變化實現(xiàn)相對濕度的檢測。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。所述石墨烯基濕敏薄膜是由靜電誘導自組裝聚電解質先導層和溶劑蒸發(fā)誘導自組裝石墨烯薄膜構成的多層網(wǎng)絡狀薄膜。聚電解質單層膜的厚度在2-6nm，用于柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面修飾，使得石墨烯薄膜層界面銜接牢固穩(wěn)定，不易脫落。所述石墨烯基濕敏薄膜制備方法如下: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，進行I3DDA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，操作重復一次。然后浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進行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；采用精密移液器吸取
0.5-lml石墨烯分散液均勻滴涂在上述襯底表面，放入真空干燥箱50°C處理5_8小時，得到覆蓋有聚電解質-石墨烯層狀薄膜的電阻型濕敏元件。所述聚二烯丙基二甲基氯化銨為聚陽離子溶液，聚4-苯乙烯磺酸為聚陰離子溶液。所述石墨烯分散液濃度為0.5mg/ml，粒子帶有負電荷。所述梳狀叉指電極為Cu/Ni或Cr/Au，間距5-200 μ m,齒寬5-200 μ m。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連接于一體。所述濕敏傳感器件與電阻拾取電路板通過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線通過塑料殼體引線孔引出，可與計算機或微處理器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示與報警等檢測功能。本發(fā)明利用靜電誘導自組裝方法和溶劑蒸發(fā)誘導自組裝相結合的方法制備石墨烯薄膜濕度傳感器，提供了一種簡單方便，吸附力強的高靈敏度濕度傳感器，成本低廉，響應速度快，重復性和穩(wěn)定性好。


圖1為本發(fā)明實施例的結構組成示意圖，其中I為透氣孔，2為塑料上外殼，3為固定螺桿，4為石墨烯基濕敏薄膜，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為信號線，11為引線孔，12為塑料下外殼，13為固定螺母。圖2為濕敏傳感元件的結構示意圖，其中I為溶劑蒸發(fā)誘導自組裝的石墨烯薄膜，2為聚二烯丙基二甲基氯化銨(聚陽離子)自組裝膜，3為聚4-苯乙烯磺酸(聚陰離子)自組裝膜，4為石墨烯基濕敏薄膜，5為梳狀叉指電極，6為柔性聚合物襯底，7為電極插針。圖3為濕敏傳感元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4為石墨烯薄膜的制備工藝流程圖，其中I為經(jīng)稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液浸泡處理后的帶有梳狀叉指電極的柔性聚合物襯底，2為聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液，3為聚4-苯乙烯磺酸溶液，4為精密移液器，5為制備有石墨烯基濕敏薄膜的傳感元件。圖5為石墨烯薄膜濕度傳感器在不同濕度下電阻響應的變化曲線。圖6為石墨烯薄膜濕度傳感器在0%、12%、23%、33%、43%、52%、75%濕度切換下的電阻和時間響應曲線。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。參見圖1，本發(fā)明實施例設有柔性聚合物襯底5、梳狀叉指電極6、石墨烯基濕敏薄膜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。采用靜電誘導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薄膜層作為先導層，而后采用溶劑蒸發(fā)誘導自組裝方法制備石墨烯薄膜，構成濕敏薄膜傳感元件，如圖2所示，并集薄膜電阻拾取電路板于一體構成濕度傳感器。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連接于一體，濕敏傳感元件與信號拾取電路板通過螺桿與螺母固定裝配，如圖3所示，并封裝于透氣孔塑料外殼內(nèi)。所述石墨烯基濕敏薄膜制備方法如下: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，進行I3DDA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，重復操作一次；然后浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(TODA)溶液，進行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；采用精密移液器吸取
0.5-lml石墨烯分散液均勻滴涂在上述襯底表面，放入真空干燥箱50°C處理5_8小時，至此可得到覆蓋有聚電解質-石墨烯層狀薄膜的電阻型濕敏元件。所述電阻拾取電路信號線由電源線、地線、輸出信號線組成，通過塑料外殼引線孔引出，可與計算機或微處理器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示與報警等檢測功能。采用飽和鹽法調配周圍環(huán)境相對濕度為O % -97 %，測得聚電解質-石墨烯薄膜傳感器電阻值在相應濕度環(huán)境下的變化實現(xiàn)相對濕度的檢測，如圖5所示，電阻變化與相對濕度具有良好的響應關系。調配環(huán)境相對濕度分別為O %、12 %、23 %、33 %、43 %、52 %、75 %，將石墨烯薄膜濕度傳感器依次放入不同的濕度環(huán)境實現(xiàn)相對濕度的檢測，具有響應迅速，高穩(wěn)定性，高靈敏度的優(yōu)點(圖6所示)，尤其對低濕環(huán)境下濕度的精確測量具有更高的靈敏度。
權利要求
1.一種石墨烯薄膜濕度傳感器，其特征在于設有柔性聚合物襯底、梳狀叉指電極、石墨烯基濕敏薄膜、電阻拾取電路板、電極插針、透氣外殼，引線孔；采用靜電誘導自組裝與溶劑蒸發(fā)誘導自組裝技術相結合的方法，在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構筑石墨烯基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成濕度傳感器，通過檢測薄膜電阻值變化實現(xiàn)相對濕度的檢測。
2.根據(jù)權利要求1所述的石墨烯薄膜濕度傳感器，其特征在于所述石墨烯基濕敏薄膜是由靜電誘導自組裝聚電解質先導層和溶劑蒸發(fā)誘導自組裝石墨烯薄膜構成的多層網(wǎng)絡狀薄膜；聚電解質單層膜的厚度在2-6nm，用于柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面修飾，使得石墨烯薄膜層界面銜接牢固穩(wěn)定，不易脫落。
3.根據(jù)權利要求1所述的石墨烯薄膜濕度傳感器，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)權利要求1所述的石墨烯薄膜濕度傳感器，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連接于一體。
5.根據(jù)權利要求1所述的石墨烯薄膜濕度傳感器，其特征在于所述濕敏傳感元件與信號拾取電路板通過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)權利要求1所述的石墨烯薄膜濕度傳感器，其特征在于所述電阻拾取電路信號線通過塑料殼體引線孔引出，可與計算機或微處理器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示與報警等檢測功能。
7.根據(jù)權利要求1所述的石墨烯薄膜濕度傳感器，其特征在于所述石墨烯基濕敏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,石墨烯分散液濃度為0.5mg/ml ； (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)采用精密移液器吸取0.5-lml石墨烯分散液均勻滴涂在上述襯底表面，放入真空干燥箱50°C處理5-8小時，得到覆蓋有聚電解質-石墨烯層狀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、石墨烯基濕敏薄膜、濕敏薄膜電阻拾取電路板、電路信號線、透氣孔外殼構成。石墨烯基濕敏薄膜是由靜電誘導自組裝聚電解質先導層和溶劑蒸發(fā)誘導自組裝石墨烯薄膜構成的多層網(wǎng)絡狀薄膜，制備在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構成濕敏薄膜傳感元件。薄膜電阻拾取電路與濕敏傳感元件采用插針型方式電學連接于一體，濕敏傳感元件與信號拾取電路板通過螺桿與螺母固定裝配，并封裝于透氣孔塑料外殼內(nèi)，電路信號線通過外殼引線孔引出實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示與報警等功能。該傳感器具有穩(wěn)定可靠、成本低廉、靈敏度高、重復性好、濕敏響應及恢復速率快等特點。
文檔編號G01N27/04GK103149246SQ20121039007
公開日2013年6月12日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權日2012年9月27日
發(fā)明者張冬至, 夏伯鍇, 童俊, 王凱, 張吉祥 申請人:中國石油大學(華東)