[发明专利]一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型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技术领域，具体涉及一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度是表示大气干燥程度的物理量，空气湿度的检测与人类的生活息息相关，在气象学、生物医学、工农业生产、储藏、建筑、林业等领域都有着重要意义；在日常生活中，环境湿度对人体的健康也有着重要的影响。

现在常用的湿度传感器，主要是将环境湿度信号转化成相应可测量的电信号输出，包括电阻、电容和复阻抗等。目前，电阻型湿度传感器应用较为广泛，它是利用湿敏材料吸附不同环境中的水分子，从而引起敏感体复阻抗变化的原理工作的，其阻抗在全湿度量程内一般变化3-4个数量级。但这种湿度传感器存在一些不足：在低湿范围内，由于阻抗较高难以检出；交流下工作，在后续电路配置上带来一些麻烦；产品的互换性较差。

石英晶体微天平(QCM)型传感器是一种质量型传感器，它是利用具有AT切型的石英振子，当其表面吸附上其他物质，引起石英振子固有频率变化的原理工作的。科学家Sauerbrey给出了应用于气相中QCM频率的变化量(△f)与吸附物质质量的变化量(△m)的关系式：式中：f₀为QCM的固有基频(单位：Hz)，A为QCM电极的有效面积(石英振子两侧电极相重叠部分的面积，单位：cm²)，ρ_q为石英振子的密度(ρ_q＝2.648g/cm³),μ_q为石英振子的剪切模量(μ_q＝2.947×10¹¹g·cm^-1·s^-2)。QCM型湿度传感器，通常在QCM元件的电极表面制备一层湿度敏感薄膜，使之构成一个QCM湿敏元件，湿度敏感薄膜对水分子有一定的吸附作用，使QCM元件所吸附物质的质量发生变化，从而引起其固有频率变化，通过检测系统，最终将湿度信号转化成频率信号输出。QCM型传感器具有检测精度高(可达ng级)、灵敏度高、稳定性好、结构简单、可室温下检测等优点。与电阻型湿度传感器相比，QCM型湿度传感器可在直流下工作，在后续的信号传输过程中，直流信号相比于交流信号具有很多优点：不受交流感应的影响，容易解决仪表抗干扰的问题；不受传输线路电感、电容的影响，不存在相位偏移问题，因而接线简单；便于模/数和数/模的转换，仪表便于与数据处理设备、计算机等连接。

碳纳米管是一种一维纳米材料，它具有很多优异的特性，如比表面积大、吸附能力强、电学特性优异等，尤其是其对水分子的吸附以物理吸附为主。但未经修饰过的碳纳米管由于具有较大的长径比、较高的表面能，导致其极易缠绕在一起，发生团聚，且分散性较差，几乎不溶于任何溶剂。强酸处理可以对碳纳米管进行化学切割，利用缺陷处产生的活性基团进行化学修饰，在碳纳米管的表面和两端氧化上亲水性基团—羧基(—COOH)。因为碳纳米管材料对水分子的吸附作用以物理吸附为主，与QCM型湿度传感器的工作原理相匹配，而经过酸化氧化处理过的碳纳米管可以更好地分散在溶剂中，形成较为均匀的分散液，使其成为一种可以涂覆在QCM元件上的湿敏材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以酸化氧化碳纳米管为敏感材料的石英晶体微天平(QCM)型湿度传感器及其制备方法。QCM型湿度传感器可在直流下工作，与在交流下工作的电阻型湿度传感器相比，在后续的信号传输过程中，直流信号具有更大的优势。本发明以经过酸化氧化处理的单壁或多壁碳纳米管为敏感材料，通过改变敏感材料在QCM电极上的滴涂量，制作了一组QCM湿敏元件，研究了其在室温下的湿敏特性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器，由QCM元件、在QCM元件的电极表面制备的酸化氧化碳纳米管湿敏膜、振荡电路、频率计、计算机、湿度发生装置(20℃下，饱和盐溶液4％RH～98％RH)组成。

本发明所述的一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器的制备方法，其步骤如下：

(1)清洗QCM元件：将空白的QCM元件依次放入到去离子水和无水乙醇中，分别超声清洗20～30s，然后在40～60℃的真空条件下放置2～4h，待其彻底干燥后取出放在干净的容器中待用；

(2)配制敏感材料分散液：称取酸化氧化处理过的碳纳米管加入到溶剂中，混合并超声4～6h制成浓度1～2mg/mL的湿敏材料分散液；