[發明專利]一種靈敏的濕度傳感器材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210078465.X
• 申請日: 2012-03-22
• 公開（公告）號: CN102645455A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 汪勇;李逢彬;邢衛紅;范益群
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;C04B41/50
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域

本發明涉及濕度傳感器材料的制備方法，更確切地說是涉及一種靈敏的濕度傳感器材料的制備方法，屬于功能材料領域。

背景技術

傳感器技術是當今世界令人矚目的迅猛發展起來的高新技術之一，也是當代科學技術發展的一個重要標志，其中濕度傳感器在工業智能化生產以及人們的日常生活中發揮著越來越重要的作用。濕度傳感器的類型有很多，其中陶瓷類傳感器能在全濕度范圍內具有良好的感濕性能，因而得到了廣泛的研究。該類已經商品化的傳感器元件一般是基于多孔性、陽極化Al₂O₃，是電容式濕敏元件，測試電路較復雜，經常需要校正，特別是暴露于潮濕的氣氛中(如RH≥50％)；而電阻式的濕敏元件，因測定其電阻的變化，所需的濕度補償和輸出電路更為簡單，同樣有商品化的產品，但是其不適合在低濕度條件下使用。為了提高陶瓷類傳感器在全濕度范圍內，尤其是在低濕度氣氛下的靈敏性，多通過提高感濕材料的多孔性，增加它的比表面積，同時調節孔徑大小、分布、膜層厚度等，以提高其對水分子的吸附和脫附能力。本發明利用原子層沉積技術，制備出具有高比表面積的、納米級孔道的感濕材料，其厚度約為～400nm。

原子層沉積(Atomic?Layer?Deposition，ALD)是一種基于氣態前驅體在基底表面吸附并發生自限制反應的先進沉積技術，它能夠在原子或分子水平上精確地控制沉積層的厚度。ALD技術具有以下顯著的優勢：(1)沉積的薄膜均勻致密，無針孔狀；(2)沉積厚度可通過改變沉積循環次數來精密控制，控制精度可達亞埃級；(3)由于前驅體均以氣態形式進入腔體參與反應，可在復雜、極細小的孔道內沉積所需要的沉積層；(4)可在低溫或者室溫下沉積。

發明內容

本發明的目的是為了改進現有技術的不足而提供一種靈敏的濕度傳感器材料的制備方法。

本發明的技術方案為：一種靈敏的濕度傳感器材料的制備方法，其具體步驟如下：

a配制質量濃度為0.5％～5％的聚苯乙烯聚2-乙烯基吡啶嵌段共聚物(PS-b-P2VP)有機溶液，然后在轉速為400～5000轉/分下，將嵌段共聚物溶液旋涂到硅片上，接著將旋涂好的硅片放置在真空干燥箱中干燥，然后將干燥后的樣品在溫度為30～70℃的選擇性有機溶劑中溶脹1～24小時，最后將溶脹后的樣品取出自然干燥。

b將溶脹后的樣品置于原子層沉積儀器反應腔中，抽真空并加熱反應室溫度到60～90℃，使樣品在設定溫度下保持10～40min，反應腔內的氣壓為0.01～10torr，載氣的流量設定為5～30sccm，前驅體的溫度恒定在20～40℃之間；

c第一步：脈沖第一種前驅體，時間為0.01～1s，接著使脈沖出的第一種前驅體氣體分子在反應腔中暴露0～60s；

第二步：向反應腔中脈沖清掃氣體，清掃時間為20～70s；

第三步：脈沖第二種前驅體，時間為0.01～1s，接著使脈沖出的第二種前驅體氣體分子在反應腔中暴露0～60s；

第四步：向反應腔中脈沖清掃氣體，清掃時間為20～70s；

d根據具體的需要，重復步驟c，控制沉積層的厚度。

e將沉積后的樣品，在400～700℃下高溫煅燒，升溫速率為1～8℃/min，煅燒時間為3～10小時。

優選步驟a中所述的有機溶液中的溶劑為四氫呋喃或甲苯；所述的選擇性有機溶劑為乙醇或者甲醇。

優選步驟c中所述的第一種前驅體為三甲基鋁、四氯化鈦或異丙醇鈦；步驟c中所述的第二種前驅體為去離子水；步驟c中所述的清掃氣體為氮氣或氬氣。

優選步驟d中所述的重復步驟c循環次數為10～60次。

本發明利用原子層沉積技術，在溶脹介孔化的嵌段共聚物模板的孔道壁上沉積了一層氧化層，經高溫煅燒后，除去嵌段共聚物模板，從而制備出三維連通的介孔氧化物薄膜，并測試了該薄膜的濕度傳感性能。掃描電子顯微鏡觀測證實了薄膜的三維連通的介孔結構；通過給該薄膜施加一個恒定電壓，測試其電流值隨濕度的變化值，實驗結果顯示，該薄膜材料對濕度具有較高的靈敏度，電流隨濕度的變化值達到了3個數量級，其中沉積了10次氧化鋁的樣品在5％RH和30％RH之間的響應時間和恢復時間分別為12s和5s。

有益效果：

(1)制備出的感濕材料，具有極高的孔隙率和比表面積，能吸附更多的水分子；

(2)制備出的感濕材料，具有納米級(10～40nm)的孔道，提高了在低濕度下對水分子的感濕能力；