[发明专利]一种基于磷酸盐分子筛的湿度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于湿度传感器技术领域，具体涉及一种以AlPO₄-5分子筛为湿度敏感膜的快速响应恢复湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器在人们生活、农业、工业生产等许多方面有着广泛的应用。现代医疗气象研究表明，对人体比较适宜的相对湿度为：夏季相对湿度控制在40-50%RH比较合适，冬季相对湿度控制在60-70%RH比较舒服。由此可见，人类生存和社会活动与湿度密切相关。在工业生产中，湿度的控制直接关系到产品的质量；此外，粮食的存储、高空气象探测、温室种植等也都离不开湿度检测。因此湿度传感器成为近年来的研究热点之一。

湿度传感器是利用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。

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。然而，湿度传感器的响应恢复特性一直有待提高。磷酸盐分子筛是分子筛中的一个重要分支，由于其骨架元素的丰富性使其具有独特的性能，它在催化、光化学、电磁学等领域具有广泛的应用前景。磷酸盐分子筛由于其骨架结构，可提供局部静电场、较大的表面积和体积比，对于水，CO等气体有着良好的敏感特性。因此，磷酸盐分子筛可应用在湿度传感方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磷酸盐分子筛的湿度传感器及其制备方法。

采用AlPO₄-5分子筛作为敏感层，不但应用了其良好的稳定性，还可以有效地利用AlPO₄-5分子筛具有较高比表面积的优势。同时本发明采用的工艺简单、制得的器件体积小、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。

本发明所述的AlPO₄-5分子筛的快速响应恢复湿度传感器，从下至上依次由陶瓷衬底、在陶瓷衬底上采用丝网印刷技术制备的Au金属叉指电极、在叉指电极上采用涂覆技术制备的AlPO₄-5敏感层组成；其中AlPO₄-5敏感层的厚度为2～4μm，粒径为6～10μm，金属叉指电极的宽度和间距均为0.15～0.20mm，厚度为100～150nm。

本发明所述的基于AlPO₄-5分子筛的快速响应恢复湿度传感器的制备步骤如下：

1、衬底的处理

首先分别用丙酮、乙醇棉球擦拭陶瓷衬底至干净，再将衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，最后在100～120℃环境下干燥；

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[佳华JX07500487]：Au粉：稀释剂的质量比为1：1～2：2～4的比例，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30°～45°的倾斜角度和5～10牛压力条件下刮动浆糊，印制电极并烘干，紫外光固化后完成金属叉指电极的制备，金属叉指电极的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm。

3、纳米AlPO₄-5分子筛的制备

采用水热法制备AlPO₄-5分子筛：室温条件下，首先将质量分数为85%的磷酸与去离子水混合，再加入氢氧化铝，搅拌1～3小时后，再向混合物中加入TPA（三正丙胺），并继续搅拌1～3小时，混合物中各组份的摩尔比为1.0Al₂O₃：1.0～1.5TPA：0.8～1.6P₂O₅：40～60H₂O；然后将白色溶液转移到反应釜中，并在130～180℃下反应15～30h，冷却至室温后将白色生成物用去离子水离心清洗，最后在室温下干燥，得到的白色产物即为AlPO₄-5分子筛。

4、湿敏器件的制备

将干燥后的AlPO₄-5分子筛放入研钵中，研磨20～30分；然后向研钵中滴入去离子水（分子筛与水的质量比为5：1～3），再继续研磨20～30分，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，AlPO₄-5分子筛敏感层的厚度为2～4μm；最后在相对湿度为100%RH的环境中，将制备的器件在0.4～1.2V电压、40～300Hz的交流电下老化12～24小时，从而得到本发明所述的一种以AlPO₄-5为敏感层、以Au为金属叉指电极的湿度传感器。