[发明专利]一种基于疏松碳结构与亲水聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置的制备方法

说明书

一种基于疏松碳结构与亲水聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置的制备方法，其属于湿度传感装置技术领域。该装置是一种基于疏松碳纳米薄膜结构表面覆盖亲水性聚合物材料的新型湿度传感器。通过在不同湿度变化下，复合材料吸附水分子的能力会发生变化，进而引起电阻变化来进行湿度传感。该装置通过在柔性衬底上制作一对有一定间隔的平行电极，并在平行电极之间的缝隙中沉积一层疏松碳纳米结构薄膜，最终将亲水性聚合物覆盖在疏松碳纳米结构薄膜表面而制成。该传感器通过将两种对环境湿度变化响应较小的物质结合，形成了一种具有较高湿度变化响应幅度的电阻式传感器。本发明具有制作简单，成本低廉，环境友好，可多次重复使用、实用性强等优点。

技术领域

本发明涉及一种利用碳纳米结构和聚合物材料复合的电阻式湿度传感装置，特别涉及一种利用疏松碳结构和亲水性聚合物材料复合的，制备简单，稳定性和可重复性高的电阻式湿度传感装置。

背景技术

早在1939年，就有人已经研究了依靠电阻变化的湿度传感器，但其检测范围过小，使用条件受限，所以未被广泛接纳。之后，随着研究发展，电阻湿度传感器技术已经相当成熟。2016年，Zou等人基于暴露在氢气中的以石英为基板、铂为电极、壳聚糖为传感材料的湿度响应质子传导传感器，发现了壳聚糖材料电阻随湿度变化的响应特征。（J. Zou et al.,IEEE Sensors Journal, 2016, vol 16, pp 8884-8889）。2019年，Dai等人研究了基于壳聚糖/氧化锌/单壁碳纳米管复合薄膜的湿度传感器，该传感器以氧化铝为基板，金属银为电极，在氧化锌和单壁碳纳米管的合成粉末上滴铸壳聚糖而形成。此传感器具有重复性好和良好的响应恢复能力的特点，但其灵敏度不甚理想。（H. Dai et al., Sensors andActuators B-Chemical, 2019, vol 283, pp 786-792）。同年，Wu等人进行了基于碳纳米线圈的快速响应和灵活性湿度传感器的研究。该传感器在液晶聚合物（LCP）上沉积金交叉指型电极，碳纳米线圈置于金电极的间隙中，经数据处理后可得到金电极两端的电阻值随湿度变化曲线。证实了它是具有高响应幅度和高稳定性的电阻式湿度传感器，但具有响应速度较慢的缺陷。(J. Wu et al., Acs Applied Materials Interfaces, 2019, vol11, pp 4242-4251)。

发明内容

为了克服碳纳米结构自身吸水能力较弱，受湿度影响变化小的缺点，我们使用对水有一定吸附能力的聚合物材料作为改性材料，覆盖在碳纳米结构表面，使得双重复合膜对环境湿度的响应幅度明显增加。

本发明采用的技术方案为：一种基于通过电阻变化测量湿度的传感装置，所述湿度传感装置是一种基于平行导电电极之间的疏松碳纳米薄膜结构表面覆盖亲水性聚合物材料的新型电阻式湿度传感器。

一种基于疏松碳结构与聚合物材料复合的湿度传感装置的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备柔性基底并在其基底上面制备平行导电电极

制备聚二甲基硅氧烷并在其表面通过磁控溅射法制备200 nm的平行金电极，电极间隙为100 μm；

（2）疏松碳纳米薄膜结构沉积在平行电极间隙中

Fe₂(SO₄)₃/SnCl₂溶液作为催化剂前驱体滴在石英基板上，干燥后将该基板在710℃下煅烧30 min；再利用热化学气相沉积的方法在325 sccm流速的氩气环境下引入15sccm流速的乙炔气体并在710 ℃下煅烧30 min，在该基板表面合成碳纳米线圈；将基板置于乙醇中再放入超声波清洗仪中超声，即可得到碳纳米线圈分散液；将碳纳米线圈分散液滴入金电极间，在金电极上施加“5 V, 1 KHz”的交流电利用电泳方式沉积碳纳米线圈；

（3）亲水聚合物材料覆盖在疏松碳纳米薄膜表面