[发明专利]一种超高灵敏度声表面波湿度传感器

说明书

本发明提供了一种超高灵敏度声表面波湿度传感器，从下至上依次为：压电衬底、叉指电极以及氧化石墨烯‑ZnO纳米线‑石墨烯量子点复合结构敏感层。本发明的有益效果如下：高灵敏、易于检测以及工艺简单，在相对湿度区间为45%‑50%之间达到了148.61 kHz/%RH的超高灵敏度。

技术领域

本发明涉及信息电子材料技术领域，尤其涉及一种超高灵敏度声表面波湿度传感器。

背景技术

湿度传感器在工业生产、健康护理、非接触人机界面等方面具有广泛的应用前景。基于声表面波技术（surface acoustic wave, SAW）的湿度传感器由于尺寸小、与集成电路制备工艺兼容、成本低、可无线无源化等优势，在湿度探测领域受到广泛关注。

声表面波对于衬底表面扰动十分敏感，表面处的质量负载，电导率、弹性模量等因素都会对其幅度、频率及相位产生影响。通过在表面引入一层吸附水分子的敏感膜，可以制备出声表面波湿度传感器。目前已经有研究给出氧化石墨烯、半导体金属氧化物、石墨烯量子点能够作为声表面波湿度敏感薄膜。中国专利CN111693601A指出，将半导体金属氧化物与二维材料相结合，有利于提升比表面积和吸附活性位点数量，氧化锌纳米线与石墨烯量子点复合湿度敏感薄膜，可将灵敏度提升至40.16 kHz/RH。

但是，在相对湿度区间为45 %-50 %之间，40.16 kHz/RH的灵敏度仍无法满足现实的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高灵敏度声表面波湿度传感器，其借助结构边缘具有丰富的活性位点的氧化石墨烯及石墨烯量子点、大比表面积的ZnO纳米线，同时借助氧化石墨烯与石墨烯量子点分别与ZnO纳米线的接触界面形成的异质结，增加纳米线表面的活性位点数量，使得制备的敏感膜吸附水分子能力增强。使得在同一湿度条件下，吸附水分子引起的质量负载增大，导致频率偏移增大，提高传感器灵敏度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种超高灵敏度声表面波湿度传感器，从下至上依次为：压电衬底、叉指电极以及氧化石墨烯-ZnO纳米线-石墨烯量子点复合结构敏感层。

作为本发明的一种优选改进，所述压电衬底包括衬底和与所述衬底叠设的压电薄膜。

作为本发明的一种优选改进，所述压电衬底可选自铌酸锂、钽酸锂、石英中的任意一种。

作为本发明的一种优选改进，所述衬底为硅、玻璃、碳化硅中的任意一种；所述压电薄膜由氧化锌、氮化铝或掺杂氮化铝中的任意一种制成，且厚度为0.2～6μm。

作为本发明的一种优选改进，所述叉指电极由金属、导电氧化物、导电纳米线、二维材料中的任意一种制作。

作为本发明的一种优选改进，所述金属选自铝、金、银、铜、铬、钼、镍或钨中的任意一种。

作为本发明的一种优选改进，所述导电氧化物选自掺铝氧化锌或氧化铟锡。

作为本发明的一种优选改进，所述导电纳米线为银纳米线。

作为本发明的一种优选改进，所述二维材料选自石墨烯或二硫化钼。

作为本发明的一种优选改进，所述氧化石墨烯-ZnO纳米线-石墨烯量子点复合结构敏感层由以下步骤实现：

首先称量0.23～2.3mg的氧化石墨烯粉末与0.8～8mg ZnO纳米线粉末，将两者混合，并加入1～10ml去离子水，超声30～60分钟，得到混合溶液；

量取2～20ml浓度为20mg/ml的石墨烯量子点溶液；

再将混合溶液与石墨烯量子点溶液混合，超声5分钟，得到敏感溶液；