[发明专利]一种基于钽酸钾敏感膜的湿敏传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于湿敏器件技术领域，具体涉及一种以钽酸钾为敏感膜的湿敏传感器及其制备方法。

背景技术

湿度对人们的生活、工业生产、科学研究、国防建设以及动植物的生长有着密切的关系。在人类的生活中，如果空气过于潮湿，会使人感到沉闷，如果空气过于干燥，又会使人的皮肤感觉不适，因此房间里要使用仪器对湿度进行检测控制；在工业生产中，湿度的控制直接关系到产品的质量；在国防方面，航天导弹、军用仪器的存储都离不开湿度的控制，因此军用仓库对湿度的检测必不可少；此外，粮食的防霉、高空气象探测、温室种植、禽蛋的存储等也都离不开湿度检测。

湿度传感器是利于湿度敏感材料直接吸附大气中的水分子，使得材料的电学性质等发生变化，经过检测连接外围电路敏感元件的输出信号变化而测量湿度变化。因此湿度传感器成为近年来的研究热点之一。

用于湿度传感的材料有很多，目前主要集中在半导体，陶瓷和高分子等材料中。近些年，由于良好的稳定性，钙钛矿材料逐渐被用于湿敏器件的研制。作为钙钛矿材料的一种，钽酸钾的物理化学性质稳定，并且广泛应用在光催化电解水方面，因此，可将其应用在湿敏传感方面。目前，对于钽酸钾的湿敏性能研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于钽酸钾的湿敏传感器及制备方法。

采用钽酸钾材料作为敏感材料，不但应用了钙钛矿材料的优点，还可以有效利用钽酸钾对湿度敏感的优势。同时本发明采用的工艺简单、器件体积小、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。

本发明所述的钽酸钾的湿度传感器，由陶瓷衬底、采用丝网印刷法制备在陶瓷衬底上的Au金属叉指电极、采用涂覆法制备在Au金属叉指电极上的钽酸钾敏感膜组成，其中钽酸钾敏感膜的厚度为2～4μm，金属叉指电极的宽度和间距均为0.15～0.20mm。

本发明所述的基于钽酸钾敏感膜的湿敏传感器的制备方法，其步骤如下：

1)陶瓷衬底的处理

首先分别用丙酮、乙醇棉球擦陶瓷衬底至干净，再将陶瓷衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，最后干燥；

2)金属叉指电极的制备

采用丝网印刷技术制备Au金属叉指电极，按照油墨：Au粉：稀释剂的质量比为1：1.5：3，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入在带有叉指电极图案的丝网版上，以一定倾斜角度和压力刮动浆糊，印制电极并烘干，然后采用紫外光固化，制备得到金属叉指电极；金属叉指电极的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm。

3)纳米钽酸钾的制备

采用水热法制备纳米钽酸钾：室温条件下，将4.0～5.0g氢氧化钾溶于8～12mL水中，溶液搅拌至澄清，然后加入0.03～0.05g五氧化二钽，继续搅拌得到均匀溶液；再将该溶液转移至反应釜中，加热到60～200℃，保持12～16小时，从而得到白色的钽酸钾样品；将该样品用去离子水洗至中性，然后干燥，得到尺寸为150～300nm的钽酸钾纳米晶；如图1所示；

4)将干燥后的钽酸钾放入研钵中，研磨；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨，使去离子水与钽酸钾充分混合，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的浆料，涂覆在叉指电极上，然后将其在60～80℃烘干，从而得到敏感膜的厚度为2～4μm的元件；将以上制得的元件置于相对湿度为100％RH的环境中，在叉指电极上施加1V、100Hz的交流电老化，从而得到以钽酸钾为敏感膜、以Au为金属叉指电极的湿敏传感器。

进一步，步骤2）中所述的油墨为佳华JX07500487，稀释剂为质量比1.5：1的乙醇和乙酸乙酯混合；步骤2）中所述的紫外光固化的时间为400s；步骤2）中所述的倾斜角度为30度，压力为5牛。步骤1）和步骤3）是在100℃环境下干燥。步骤4）中所述的老化时间为24小时。步骤4）中所述的研磨时间为30分钟。

本发明制备的钽酸钾湿敏传感器具有制备方法简单，成本低廉，有望大规模生产的特点，对湿度具有良好的检测性能。

附图说明

图1：钽酸钾的形貌图；

图2：本发明所制备器件对应的结构示意图；

图3：1V、100Hz交流电下，本发明器件的阻抗-相对湿度特性曲线（膜厚2μm）；

图4：1V、100Hz交流电下，本发明器件的阻抗-相对湿度特性曲线（膜厚3μm）；

图5：1V、100Hz交流电下，本发明器件的阻抗-相对湿度特性曲线（膜厚4μm）；

图6：1V、100Hz交流电下，本发明器件的湿滞特性曲线（膜厚3μm）；