[發明專利]一種基于酸化氧化碳納米管的QCM型濕度傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201710789162.1
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN107655781A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 劉森;趙晨;張彤;王蕊;齊鵬嘉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N5/02
• 分類號: G01N5/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 劉世純,王恩遠

技術領域

本發明屬于濕度傳感技術領域，具體涉及一種基于酸化氧化碳納米管的QCM型濕度傳感器及其制備方法。

背景技術

濕度是表示大氣干燥程度的物理量，空氣濕度的檢測與人類的生活息息相關，在氣象學、生物醫學、工農業生產、儲藏、建筑、林業等領域都有著重要意義；在日常生活中，環境濕度對人體的健康也有著重要的影響。

現在常用的濕度傳感器，主要是將環境濕度信號轉化成相應可測量的電信號輸出，包括電阻、電容和復阻抗等。目前，電阻型濕度傳感器應用較為廣泛，它是利用濕敏材料吸附不同環境中的水分子，從而引起敏感體復阻抗變化的原理工作的，其阻抗在全濕度量程內一般變化3-4個數量級。但這種濕度傳感器存在一些不足：在低濕范圍內，由于阻抗較高難以檢出；交流下工作，在后續電路配置上帶來一些麻煩；產品的互換性較差。

石英晶體微天平(QCM)型傳感器是一種質量型傳感器，它是利用具有AT切型的石英振子，當其表面吸附上其他物質，引起石英振子固有頻率變化的原理工作的。科學家Sauerbrey給出了應用于氣相中QCM頻率的變化量(△f)與吸附物質質量的變化量(△m)的關系式：式中：f₀為QCM的固有基頻(單位：Hz)，A為QCM電極的有效面積(石英振子兩側電極相重疊部分的面積，單位：cm²)，ρ_q為石英振子的密度(ρ_q＝2.648g/cm³),μ_q為石英振子的剪切模量(μ_q＝2.947×10¹¹g·cm^-1·s^-2)。QCM型濕度傳感器，通常在QCM元件的電極表面制備一層濕度敏感薄膜，使之構成一個QCM濕敏元件，濕度敏感薄膜對水分子有一定的吸附作用，使QCM元件所吸附物質的質量發生變化，從而引起其固有頻率變化，通過檢測系統，最終將濕度信號轉化成頻率信號輸出。QCM型傳感器具有檢測精度高(可達ng級)、靈敏度高、穩定性好、結構簡單、可室溫下檢測等優點。與電阻型濕度傳感器相比，QCM型濕度傳感器可在直流下工作，在后續的信號傳輸過程中，直流信號相比于交流信號具有很多優點：不受交流感應的影響，容易解決儀表抗干擾的問題；不受傳輸線路電感、電容的影響，不存在相位偏移問題，因而接線簡單；便于模/數和數/模的轉換，儀表便于與數據處理設備、計算機等連接。

碳納米管是一種一維納米材料，它具有很多優異的特性，如比表面積大、吸附能力強、電學特性優異等，尤其是其對水分子的吸附以物理吸附為主。但未經修飾過的碳納米管由于具有較大的長徑比、較高的表面能，導致其極易纏繞在一起，發生團聚，且分散性較差，幾乎不溶于任何溶劑。強酸處理可以對碳納米管進行化學切割，利用缺陷處產生的活性基團進行化學修飾，在碳納米管的表面和兩端氧化上親水性基團—羧基(—COOH)。因為碳納米管材料對水分子的吸附作用以物理吸附為主，與QCM型濕度傳感器的工作原理相匹配，而經過酸化氧化處理過的碳納米管可以更好地分散在溶劑中，形成較為均勻的分散液，使其成為一種可以涂覆在QCM元件上的濕敏材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種以酸化氧化碳納米管為敏感材料的石英晶體微天平(QCM)型濕度傳感器及其制備方法。QCM型濕度傳感器可在直流下工作，與在交流下工作的電阻型濕度傳感器相比，在后續的信號傳輸過程中，直流信號具有更大的優勢。本發明以經過酸化氧化處理的單壁或多壁碳納米管為敏感材料，通過改變敏感材料在QCM電極上的滴涂量，制作了一組QCM濕敏元件，研究了其在室溫下的濕敏特性。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種基于酸化氧化碳納米管的QCM型濕度傳感器，由QCM元件、在QCM元件的電極表面制備的酸化氧化碳納米管濕敏膜、振蕩電路、頻率計、計算機、濕度發生裝置(20℃下，飽和鹽溶液4％RH～98％RH)組成。

本發明所述的一種基于酸化氧化碳納米管的QCM型濕度傳感器的制備方法，其步驟如下：

(1)清洗QCM元件：將空白的QCM元件依次放入到去離子水和無水乙醇中，分別超聲清洗20～30s，然后在40～60℃的真空條件下放置2～4h，待其徹底干燥后取出放在干凈的容器中待用；

(2)配制敏感材料分散液：稱取酸化氧化處理過的碳納米管加入到溶劑中，混合并超聲4～6h制成濃度1～2mg/mL的濕敏材料分散液；