一種快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001 ] 本發(fā)明涉及一種濕度傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]濕度傳感器是一類重要的傳感器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)林、化纖、紡織、食品、家用電器等許多領(lǐng)域，其國內(nèi)外研究十分活躍。但是目前由于難以獲得理想性能的感濕材料以及穩(wěn)定性等問題導(dǎo)致濕度傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用仍較為落后，因此，濕度傳感器的精確度和長期穩(wěn)定性是直接影響到濕度傳感器的使用和大批生產(chǎn)的關(guān)鍵。探索新的高精度、高可靠性、長壽命的濕敏材料，研究各類濕度傳感器的感濕機(jī)理，改善和提高其穩(wěn)定性、可靠性，已成為各國科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。
[0003]目前高分子電容式濕度傳感器具有測(cè)濕范圍寬、響應(yīng)速度快、溫漂小、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為這個(gè)領(lǐng)域國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。我國開展高分子電容式濕度傳感器研究已有多年，針對(duì)產(chǎn)品可靠性差、穩(wěn)定性差、一致性差等問題，對(duì)其進(jìn)行了可靠性研究和各種環(huán)境試驗(yàn)，制定了失效判據(jù)，給出了失效模式。1987年，Yablonovitch和John教授提出了光子晶體的概念，獲得科研工作者的廣泛關(guān)注。光子晶體是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列的一種人造的晶體材料，由于存在周期性，在其中傳播的光波的色散曲線將成帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間的能量差叫做光子禁帶頻率落在禁帶中的光是被嚴(yán)格禁止傳播的。通過理論以及實(shí)驗(yàn)表明光子晶體的反射峰符合不兩個(gè)衍射定律:λ = 2ndsin Θ由此可見通過調(diào)節(jié)折射率可實(shí)現(xiàn)反射峰位置變化，從而實(shí)現(xiàn)樣品顏色的調(diào)節(jié)。但目前產(chǎn)品的性能及可靠性的測(cè)試方法及手段存在以下幾個(gè)問題:(1)濕度源昂貴，平衡時(shí)間長；(2)檢測(cè)裝置精確度不高；(3)手工測(cè)量，一次只能檢測(cè)一個(gè)傳感器，測(cè)試數(shù)量有限，不能為實(shí)現(xiàn)批量測(cè)試提供方便及良好的條件且測(cè)試結(jié)果因人而異。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的是為了解決濕度傳感器成本昂貴、平行穩(wěn)定性差、傳感器器件力學(xué)性能差以及操作繁瑣的問題，提供了一種快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備方法。
[0005]本發(fā)明的快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備方法按以下步驟制備:
[0006]—、基底材料的處理:將基底材料放置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%?35%的過氧化氫和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%?98%的濃硫酸的體積比為1: (2?3)的混合溶液中超聲清洗，隨后依次在丙酮溶液、無水乙醇溶液和超純水溶液中超聲lOmin?20min，然后在烘箱中烘干；去除基底表面的雜質(zhì)，保證玻璃基底的親水性和干凈；
[0007]二、制備組裝溶液:取微球材料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%?99%的乙醇中，配制成混合液；取響應(yīng)的聚合物材料溶解在去離子水溶液中，配制成電鍍液；將混合液與電鍍液按體積比為1: (5?15)混合制得組裝溶液；
[0008]三、快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備:將步驟一處理好的基底材料垂直放入容器內(nèi)，然后向容器內(nèi)注入步驟二制備的組裝溶液，將容器放入培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)置300C?60°C，控制培養(yǎng)箱的濕度為20 %?80 %，乙醇蒸汽的含量10 %?40 %，放置0.5h?10h，待溶劑揮發(fā)完全即可實(shí)現(xiàn)膠體粒子與響應(yīng)聚合物的快速組裝，制備出穩(wěn)定快速高靈敏的濕度傳感器。
[0009]圖1是快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備的示意圖。a步驟是將膠體粒子與響應(yīng)聚合物制備成混合溶液。b步驟是利用自組裝技術(shù)將響應(yīng)聚合物與膠體粒子組裝成復(fù)合的光子晶體，期望響應(yīng)聚合物在兩個(gè)膠體粒子的連接處。c步驟是在有水蒸氣條件下(即濕度氣氛中)響應(yīng)聚合物吸水膨脹，將光子晶體的晶格間距拉大。d步驟是由于光子晶體的晶格間距變大，根據(jù)λ = 2ndsin Θ可以看出其反射光譜紅移。
[0010]本發(fā)明的原理:本發(fā)明原理是將響應(yīng)聚合物例如:PVA與膠體粒子復(fù)合組裝制備成復(fù)合的六方機(jī)密堆積結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的反射峰，其反射峰位符合該公示λ =2ndsin0。從這個(gè)公示中可以看出改變?chǔ)呛蚫都可以實(shí)現(xiàn)反射峰λ的移動(dòng)。組裝體系中由于響應(yīng)聚合物的濃度較小，因此溶劑揮發(fā)將其組裝在兩個(gè)納米粒子之間的粘結(jié)處。這樣可以實(shí)現(xiàn)即使少量水蒸氣也可通過PVA的體積膨脹將光子晶體晶格之間的間距d拉大，進(jìn)而提高其響應(yīng)速度以及靈敏度。
[0011]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012]1.首先由于本發(fā)明利用廉價(jià)的膠體粒子和響應(yīng)聚合物PVA，因此解決了傳統(tǒng)濕度傳感器成本昂貴。其次由于組裝獲得結(jié)構(gòu)具有高度的均勻性，其光譜各部分均勻一致，同時(shí)其PVA可以具有很好的彈性，可以保證多次測(cè)量后其結(jié)構(gòu)不變，因此該傳感器具有極高的平行穩(wěn)定性，因此解決了傳統(tǒng)濕度傳感器平行穩(wěn)定性差的問題。最后由于組裝獲得的膠體粒子與響應(yīng)聚合物的復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)，使其具有很高的力學(xué)性能，檢測(cè)過程中是利用光譜變化測(cè)量，因此解決了傳統(tǒng)濕度傳感器力學(xué)性能差以及操作繁瑣等問題。
[0013]2.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)濕度響應(yīng)聚合物與光晶體復(fù)合，有效的增加響應(yīng)聚合物的利用率，同時(shí)兼具增加光子晶體的穩(wěn)定以及響應(yīng)聚合物的利用率。由于響應(yīng)聚合物在兩個(gè)膠體球之間從而有效提高了光子晶體的穩(wěn)定性即傳感器件力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)由于聚合物在中間即使少量水蒸氣也可引起光子晶體晶格間距的大范圍變化，提高其響應(yīng)速度以及靈敏度。且涉及思路簡潔易實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用于膠體材料以及響應(yīng)高分子，制作工藝簡單實(shí)用，有良好的市場價(jià)值。
【附圖說明】
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[0014]圖1是本發(fā)明的濕度傳感器制備過程的示意圖。
[0015]圖2是實(shí)施例1制備的濕度傳感器的SEM。
[0016]圖3是實(shí)施例2制備的濕度傳感器在不同水蒸氣條件下反射光譜的變化圖。
[0017]圖4是實(shí)施例3制備的傳濕度感器的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0018]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0019]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的快速高靈敏的濕度傳感器的制備方法，其特征在于:該快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備方法是按以下步驟進(jìn)行的:
[0020]一、基底材料的處理:將基底材料放置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%?35%的過氧化氫和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%?98%的濃硫酸的體積比為1: (2?3)的混合溶液中超聲清洗，隨后依次在丙酮溶液、無水乙醇溶液和超純水溶液中超聲lOmin?20min，然后在烘箱中烘干；去除基底表面的雜質(zhì)，保證玻璃基底的親水性和干凈；
[0021]二、制備組裝溶液:取微球材料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%?99%的乙醇中，配制成混合液；取響應(yīng)的聚合物材料溶解在去離子水溶液中，配制成電鍍液；將混合液與電鍍液按體積比為1: (5?15)混合制得組裝溶液；
[0022]三、快速高靈敏的光子晶體濕度傳感器的制備:將步驟一處理好的基底材料垂直放入容器內(nèi)，然后向容器內(nèi)注入步驟二制備的組裝溶液，將容器放入培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)置30°C?60°C，控制培養(yǎng)箱的濕度為20 %?80 %，乙醇蒸汽的含量10 %?40 %，放置0.5h?10h，待溶劑揮發(fā)完全即可實(shí)現(xiàn)膠體粒子與響應(yīng)聚合物的快速組裝，制備出穩(wěn)定快速高靈敏的濕度傳感器。
[0023]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是，步驟一所述的基底材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、多晶硅或非晶硅。其他步驟與參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是，步驟二中所述的微球材料為聚甲基聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS) 二氧化硅(Si02)、二氧化鈦(Ti02)或聚丙烯酸(PAA)以及他們之間共聚合的膠體粒子。其他步驟與參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是，步驟二中微球材料的質(zhì)量與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%?99%的乙醇的體積比為lg: (15mL?25mL)。其他步驟與參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0026]【具體實(shí)施方式