一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器及其制备方法 (Humidity sensor based on sepiolite modified carbon material and preparation method thereof ) 是由 太惠玲 段再华 蒋亚东 袁震 吴英伟 赵秋妮 黄琦 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器及其制备方法,属于湿敏元件技术领域,具体涉及湿度传感器技术领域,以解决现有的湿度传感器湿度响应范围窄、检测湿度下限高、分辨率低的不足与缺陷,包括衬底,所述衬底表面含有叉指电极,所述衬底上涂覆有湿度敏感层,所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极,所述湿度敏感层的材料包括海泡石、碳材料和溶剂,所述碳材料分散在所述溶剂中,所述海泡石、所述碳材料和所述溶剂的质量比为0-0.2:1:1-100,本申请的海泡石修饰碳材料湿度传感器具有宽湿度检测范围(0-95％RH)、低湿响应(2％RH)和高分辨(2％RH)优点。(The invention discloses a humidity sensor based on sepiolite modified carbon material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of humidity sensitive elements, in particular to the technical field of humidity sensors, in order to solve the defects of narrow humidity response range, high lower limit of detected humidity and low resolution of the existing humidity sensor, comprising a substrate, the surface of the substrate contains interdigital electrodes, a humidity sensitive layer is coated on the substrate and completely covers the interdigital electrodes, the material of the humidity sensitive layer comprises sepiolite, a carbon material and a solvent, wherein the carbon material is dispersed in the solvent, the mass ratio of the sepiolite to the carbon material to the solvent is 0-0.2:1:1-100, and the sepiolite-modified carbon material humidity sensor has the advantages of wide humidity detection range (0-95% RH), low humidity response (2% RH) and high resolution (2% RH).)
技术领域
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器及其制备方法，本发明属于湿敏元件技术领域，具体涉及湿度传感器技术领域。
背景技术
湿度是表征大气干燥程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。主要特征参数有湿度量程、感湿特征量、灵敏度、湿度温度系数、响应时间和湿滞回差。湿度传感器的发展对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
电阻型湿度传感器的工作原理通常是利用湿敏材料吸附水分子后，吸附水分子发生电离形成导电离子；进一步地在高湿环境下，大量的吸附水分子形成连续的水膜，促进离子传输，增大湿敏材料的电导率，从而导致湿度传感器电阻降低产生湿敏响应。一般对于随着湿度增加电阻降低型湿度传感器而言，需要吸附大量的水分子产生离子传输条件，因而对低湿通常不敏感，限制了其湿度检测范围和低湿检测能力。此外，还有一种电阻型湿度传感器的工作原理是利用良好导电性湿敏材料吸湿膨胀效应和传导阻塞效应，当吸附水分子后，湿度传感器的电阻会增加(Qiuni Zhao,Zhen Yuan,ZaihuaDuan,Yadong Jiang,XianLi,Zhemin Li,HuilingTai,Sensors and Actuators B:Chemical,289(2019)182-185)，有望提升湿度传感器的湿度检测范围。
湿度传感器在工业、农业、医疗、航空航天和家居等领域具有重要应用，随着湿度传感器应用范围的拓展，急需发展具有宽湿度检测范围、低湿响应和高分辨的湿度传感器。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器及其制备方法，以解决现有的湿度传感器湿度响应范围窄、检测湿度下限高、分辨率低的不足与缺陷。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度敏感层，所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度敏感层的材料包括海泡石、碳材料和溶剂，所述碳材料分散在所述溶剂中，所述海泡石、所述碳材料和所述溶剂的质量比为0-0.2:1:1-100。
本申请的技术方案中，海泡石(Mg8[Si2O30](OH)4·12H2O)，一种具层链状结构的含水富镁硅酸盐黏土矿物，具有无毒无害、可塑性好、比表面大、多孔道、吸水性强、热稳定好等特性，其存量大，因而价格低廉，利用海泡石比表面大、多孔道、吸水性强的特性，实现了对低湿(2％RH)水分子的吸附，利用碳材料吸附水分子后电阻上升的特性，制备了具有正敏系数的湿度传感器，将海泡石和碳材料混合均匀后涂覆在衬底及叉指电极表面，形成湿度敏感层，本申请的海泡石修饰碳材料湿度传感器具有宽湿度检测范围(0-95％RH)、低湿响应(2％RH)和高分辨(2％RH)优点。
优选的，所述海泡石、所述碳材料和所述溶剂的质量比为0.01-0.1:1:1-100。
优选的，所述碳材料为碳素墨水、碳黑、碳纳米管、石墨烯、石墨炔和富勒烯中的一种或多种的组合。
优选的，所述溶剂为去离子水、甘油、聚乙烯醇、乙二醇、丙三醇、二甲基硅油、分散剂NNO和聚醋酸乙烯乳液中的一种或几种组合。
优选的，所述湿度敏感层的厚度为10-100μm。
优选的，所述叉指电极的数量为1-10对，每对所述叉指电极的叉指间距为50-500μm。
更为优选的，所述叉指电极的数量为5对，每对所述叉指电极的叉指间距为250μm。
优选的，所述衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、硅或三氧化二铝中的一种。
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、按上述质量比，将碳材料与溶剂混合均匀，得到均匀分散的碳材料溶液；
步骤2、将海泡石与碳材料溶液混合均匀，得到海泡石修饰碳材料溶液；
步骤3、将海泡石修饰碳材料溶液涂覆在含有叉指电极的衬底上形成湿度敏感层；
步骤4、将具有湿度敏感层的衬底置于20-100℃下干燥1-5小时，即得海泡石修饰碳材料的湿度传感器。
优选的，步骤3中涂覆包括笔刷涂覆、刮刀刮涂、旋涂、滴涂、气喷、或浸渍法涂。
优选的，步骤4中将具有湿度敏感层的衬底置于60℃下干燥2小时。
将海泡石修饰碳材料溶液均匀的涂覆在具有叉指电极的衬底上，经过干燥，即完成了湿度传感器的制备，本申请的海泡石修饰碳材料湿度传感器结构简单、制备方法简便、成本低、湿度检测范围宽(0-95％RH)、低湿响应(2％RH)和高分辨(2％RH)优点。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，利用海泡石的强亲水性，实现了对低湿(2％RH)水分子的吸附；
2、本发明中，利用碳材料吸附水分子后电阻上升的特性，制备了具有正敏系数的湿度传感器；
3、本发明中，海泡石修饰碳材料湿度传感器具有宽湿度检测范围(0-95％RH)、低湿响应(2％RH)和高分辨(2％RH)优点；
4、本发明的湿度传感器结构简单、制备方法简便、成本低，利于大规模制造和推广应用。
附图说明
图1为本发明海泡石扫描电子显微镜图；
图2为本发明碳素墨水扫描电子显微镜图；
图3为本发明海泡石修饰碳素墨水湿度传感器在不同湿度下的实时电阻变化曲线，插图是低湿范围(0％-10％RH)实时电阻变化曲线；
图4为本发明海泡石修饰碳素墨水湿度传感器在0％和95％RH切换下的响应-时间曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
基于实施例1，一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度敏感层，所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度敏感层的材料包括海泡石、碳黑和溶剂，所述碳黑分散在所述溶剂中，所述海泡石、所述碳黑和所述溶剂的质量比为0.1:1:100，所述溶剂按重量份数计，包括去离子水(1000份)、甘油(50份)、聚醋酸乙烯乳液(10份)和分散剂NNO(1份)；所述湿度敏感层的厚度为20μm；所述叉指电极的数量为1对，每对所述叉指电极的叉指间距为100μm；所述衬底为硅。
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、按上述质量比，将碳黑与溶剂混合均匀，得到均匀分散的碳材料溶液；
步骤2、将海泡石与碳材料溶液混合均匀，得到海泡石修饰碳材料溶液；
步骤3、将海泡石修饰碳材料溶液涂覆(旋涂)在含有叉指电极的衬底上形成湿度敏感层；
步骤4、将具有湿度敏感层的衬底置于60℃下干燥2小时，即得海泡石修饰碳材料的湿度传感器。
实施例2
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度敏感层，所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度敏感层是由海泡石、碳纳米管和溶剂制成，所述海泡石、碳纳米管和溶剂的质量比为0.1：1：100；所述溶剂按重量份数计，包括去离子水(1000份)、甘油(50份)、聚醋酸乙烯乳液(5份)和分散剂NNO(1份)；所述湿度敏感层的厚度为50μm；所述叉指电极的数量为10对，每对所述叉指电极的叉指间距为100μm；所述衬底为聚酰亚胺。
制备方法同实施例1。
实施例3
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度敏感层，所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度敏感层是由海泡石、碳素墨水和溶剂制成，所述海泡石、碳素墨水和溶剂的质量比为0.01：1：1；所述溶剂为去离子水；所述湿度敏感层的厚度为50μm；所述叉指电极的数量为10对，每对所述叉指电极的叉指间距为100μm；所述衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将碳素墨水与去离子水按1:1的质量比混合均匀，得到均匀分散的碳素墨水溶液；
步骤2、将海泡石与碳材料溶液混合均匀，得到海泡石修饰碳材料溶液；
步骤3、将海泡石修饰碳材料溶液涂覆(浸渍)在含有叉指电极的衬底上形成湿度敏感层；
步骤4、将具有湿度敏感层的衬底置于50℃下干燥3小时，即得海泡石修饰碳材料的湿度传感器。
实施例4
基于实施例1，一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度敏感层，所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度敏感层的材料包括海泡石、石墨烯和溶剂，所述石墨烯分散在所述溶剂中，所述海泡石、所述石墨烯和所述溶剂的质量比为0.01:1:80，所述溶剂按重量份数计，包括去离子水(800份)、甘油(40份)、聚醋酸乙烯乳液(8份)和分散剂NNO(0.8份)；所述湿度敏感层的厚度为20μm；所述叉指电极的数量为1对，每对所述叉指电极的叉指间距为100μm；所述衬底为三氧化二铝。
制备方法同实施例1。
实施例5
基于实施例1，一种基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，包括衬底，所述衬底表面含有叉指电极，所述衬底上涂覆有湿度敏感层，所述湿度敏感层完全覆盖所述叉指电极，所述湿度敏感层的材料包括海泡石、石墨炔和溶剂，所述石墨炔分散在所述溶剂中，所述海泡石、所述石墨炔和所述溶剂的质量比为0.1:1:50，所述溶剂按重量份数计，包括去离子水(500份)、甘油(25份)、聚醋酸乙烯乳液(5份)和分散剂NNO(0.5份)；所述湿度敏感层的厚度为100μm；所述叉指电极的数量为10对，每对所述叉指电极的叉指间距为100μm；所述衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
制备方法同实施例1。
实施例6
基于实施例3，所述海泡石、碳素墨水和去离子水的质量比为0:1:1。
试验例
如图1-4所示，根据实施例3制备的基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器，性能测试按照本领域已公开的方法进行，具体方法为：用电阻测试仪器对上述制备的湿度传感器的电阻信号进行测试，不同相对湿度(RH)氛围由鼓泡法获得，相对湿度包括0％、2％、4％、6％、8％、10％、20％、40％、60％、80％和95％RH；
本发明技术方案中，海泡石采自市售，海泡石形貌如图1所示；
为了体现原材料成本低的特点，碳材料采自市售日常书写用的碳素墨水，其中含有碳纳米颗粒(图2)；
由图3知，试验例测定的基于海泡石修饰碳材料的湿度传感器具有宽的湿度检测范围(0-95％RH)、极低的检测下限(2％RH)和湿度响应高分辨(2％RH)；
由图4海泡石修饰碳材料的在0％和95％相对湿度切换下的响应-时间曲线图知，显示出基于凹凸棒的湿度传感器具有良好的响应恢复特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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