[发明专利]一种新型高灵敏微湿度传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型高灵敏微湿度传感器及其制备方法，属于湿度传感器技术领域，该器件由两层PEGDA/PI薄膜正对组装在一起构成；其中，所述PEGDA/PI薄膜是由PEGDA水凝胶粘附在PI衬底上，通过飞秒激光直写技术在PEGDA表面引入微纳结构制备得到，并在PEGDA上附加一层碳纳米薄膜，银浆滴涂在器件两侧用以连接电极。本发明采用水凝胶作为湿敏材料，制备出体积小、灵敏度高的传感器，微米级别大小的精密PEGDA/PI薄膜，利于传感器小型化和集成化。本发明提出的高灵敏微型湿度传感器结构精细，具有微结构的PEGDA水凝胶的吸失水的膨胀收缩能力与飞秒激光直写扫描间距呈现近似线性的关系，微纳结构的尺寸通过改变激光加工的参数来调控光交联程度，进而调控水凝胶的膨胀/收缩率。

技术领域

本发明属于湿度传感器技术领域，具体涉及一种新型高灵敏微湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器在气象监测、工业生产、农业种植、航空航天和医疗等领域有着广泛的应用，是一类重要的传感器。湿度传感器按工作原理可分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型两大类。其中水分子亲和力型湿度传感器的工作原理在于亲水性物质吸附水分子和脱附水分子过程中使得自身特性发生改变从而实现对湿度的测定。水分子亲和力型湿度传感器尺寸较小，测试电路结构简单，十分适合集成化。

水凝胶作为亲水型软材料具有生物相容性和良好的柔韧性，可应用于压力传感器、应变传感器和制动器等领域。此外，水凝胶具有优异的机械性能，能够承受较大的机械变形和扭曲，剧烈的机械变形也不会降低传感性能。因此水凝胶被认为是湿度传感器的理想选择。

传统制造工艺制备的器件体积较大，随着物联网的发展，单一变量、单一功能的传感器已无法满足需求。将多种传感器集成化、阵列化是解决办法之一。因此，需要将传感器进行微结构设计，缩小传感器单元的体积以适应和促进集成传感器的研制与实用。目前仍然亟需高灵敏、低功耗、微尺寸的高性能湿度传感器。

发明内容

为了克服现有技术中的传统制造工艺制备的器件体积较大、功能单一等缺陷，本发明提出了一种新型高灵敏微湿度传感器及其制备方法，本发明的微湿度传感器整体采用水凝胶加碳纳米管构成湿敏层，PI有机衬底作为固定层。利用飞秒激光双光子聚合在水凝胶表层加工出微米级别的细小结构，增加了器件与环境空气的接触面积，提高了湿度传感器的灵敏度和集成度。

本发明通过如下技术方案实现：

一种新型高灵敏微湿度传感器，该器件由两层PEGDA/PI薄膜正对组装在一起构成；其中，所述PEGDA/PI薄膜是由PEGDA水凝胶粘附在PI衬底上，通过飞秒激光直写技术在PEGDA表面引入微纳结构制备得到，并在PEGDA上附加一层碳纳米薄膜，银浆滴涂在器件两侧用以连接电极。

优选地，所述碳纳米薄膜的厚度范围为30-50nm。

一种新型高灵敏微湿度传感器的制备方法，具体步骤如下：

步骤一：PI(聚酰亚胺)薄层衬底通过酸碱处理，增大表面粗糙度，提高粘结力且不影响表观质量和内在力学性；在处理后的PI衬底上均匀涂覆一层PEGDA水凝胶。

步骤二：在Visual Studio软件中利用C#语言，生成由待加工结构的坐标点组成的TXT数据文档，数据描绘出所设计的三维结构，并利用飞秒激光直写系统通过双光子聚合的方式在PEGDA水凝胶上制备出所设计的结构；

步骤三：将乙醇和水以2:1的体积比混合制备显影液，再将上述结构完全浸入显影液，去除未被飞秒激光焦斑固化的地方，得到所需结构；

步骤四：在制备好的PEGDA上喷涂一层碳纳米管薄膜，之后放在加热平台上进行固化；

步骤五：将银浆滴涂在整体结构的一侧，用以连接电极；

步骤六：按上述步骤重复操作，得到两个同样的结构，正对组装在一起组成传感器。