[實用新型]一種石墨烯薄膜濕度傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220524062.9
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN203011877U
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張冬至;夏伯鍇;童俊;王凱;張吉祥
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)(華東)
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型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(shù)

濕度傳感器在傳感器領(lǐng)域具有重要的影響力和廣泛的應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(zhì)型、半導(dǎo)體陶瓷型及高分子聚合物型等種類，電解質(zhì)類濕度傳感器原理簡單成本低廉，但不能長期應(yīng)用于高濕環(huán)境中；半導(dǎo)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(yīng)用較為廣泛，但存在著長期穩(wěn)定性差和響應(yīng)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(shù)已經(jīng)成為非常熱門的領(lǐng)域，它的應(yīng)用范圍也在不斷擴大。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)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(xué)獎。石墨烯作為一種完全由sp2雜化的碳原子構(gòu)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(dǎo)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(fù)合材料、場發(fā)射材料及能量存儲等領(lǐng)域引起科學(xué)家的廣泛關(guān)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(zhì)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(zhì)量。本實用新型采用靜電誘導(dǎo)自組裝與溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝技術(shù)相結(jié)合的方法，在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構(gòu)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(yīng)速度快、靈敏度高等特點。?

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型針對現(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(yīng)和恢復(fù)速率較快，室溫下可測量的石墨烯薄膜濕度傳感器，設(shè)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。?

本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，采用靜電誘導(dǎo)自組裝與溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝技術(shù)相結(jié)合的方法，在柔性聚合物襯底和梳狀叉指電極表面構(gòu)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(gòu)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(dǎo)自組裝聚電解質(zhì)先導(dǎo)層和溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝石墨烯薄膜構(gòu)成的多層網(wǎng)絡(luò)狀薄膜。聚電解質(zhì)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(PDDA)溶液，進行PDDA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(fù)一次。然后浸入15mg/L的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)溶液，進行PDDA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0.5-1ml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℃處理5-8小時，得到覆蓋有聚電解質(zhì)-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(fù)電荷。?

所述梳狀叉指電極為Cu/Ni或Cr/Au，間距5-200μm，齒寬5-200μm。?

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(xué)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)。?