专利名称：：一种微纳湿度传感器制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种传感器的制备方法，尤其是一种微纳湿度传感器的制备方法，属于微纳传感制作
技术领域：
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背景技术：
：纳米材料被认为是性能超群的敏感材料，在采用纳米结构作为敏感元件构造电学传感器时，通常需要将作为传感材料的纳米结构排布或跨接在两电极之间，以便利用将其特性随测量对象的变化以电信号的形式传出。所以有选择地将纳米材料安放到指定的位置，是纳传感器制备过程中首先要解决的问题。目前已公开的技术资料中一般采用以下几种方法第一种方法是将含有传感材料的悬浮液涂布在做好电极的衬底上，然后烘干，会有部分材料碰巧跨接在两个电极之间。但通过这种方法做上去的材料分布和取向都很杂乱，而且涂布区域的选择性也差。第二种方法是从一个电极向另一个电极定向生长传感材料，尽管这个过程是可控的，但这种方法也存在催化剂污染和差的选择性问题，另外所能生长的纳米材料的种类也受到了限制。另外还有人通过仪器操控将目标材料放入预先设计的位置，这种方法需要很长的时间，昂贵的仪器和真空环境，而且对于纳米材料的操作难度很大。所以没有很大的商业价值。
发明内容本发明的目的在于克服微纳传感器制作中已有材料定位技术的不足，提出新的技术操控纳米材料，来简单而有效地完成传感材料的跨接和排布等定位问题。这种微纳湿度传感器的制备方法，其特征是A、首先通过微加工技术在绝缘衬底上做出一层或多层平面金属电极；B、而后将传感纳米材料放入一种电介质溶剂中，并通过超声使其扩散均匀制成含有纳米材料的悬浮液；取少量悬浮液滴入微电极中间，根据被操控材料和所选用溶剂的介电特性，确定在该系统中产生正介电泳现象所要施加操控信号的频率范围，选择一个适当的频率值，在电极两端施加一个同样频率的交流电信号，使位于其间的传感材料在正介电泳力作用下沿着电场线方向有序的排布在电极中间，形成纳米传感材料在微电极结构中的排布和跨接；C、以挥发等方式完全去除溶剂后，进行传感结构引线封装做成最终微纳湿度传感器。这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，原则上适用于所有的纳米结构材料；该材料可以是金属氧化物或者高分子聚合物。同时可任意选择一种电介质溶剂作为材料操控的载体，在实际应用中，常采用去离子水、乙醇或丙酮作电介质溶剂。根据以上技术方案制成微纳湿度传感器，通过介电泳技术制作传感器的方法具有以下的优点1、这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，原则上适用于所有的纳米结构；原则上可以任意选择一种电介质溶剂作为材料操控的载体，在实际应用中，常采用去离子水、乙醇、丙酮等。2、传感材料分布规律有序，定位区域选择性好；3、生产设备和环境要求不高，生产成本较低。图14在1Vrms，频率分别为10KHz、lKHz、120Hz、100Hz条件下阻抗随湿度变化的拟合直线示意图；图5为1Vrms，10KHz条件下，相对湿度由低到高的方向，全程连续3次重复测量阻抗随湿度变化的曲线示意图；图6为1Vrms，lKHz条件下阻抗随湿度变化的正反行程曲线示意图；表l图1-4中四个不同频率下的传感结构的灵敏度分析；表2图2中阻抗随湿度变化的重复性分析。具体实施方式以下结合附图进一步阐述本发明，并给出实施例。这种微纳湿度传感器的制备方法如下-A、首先通过微加工技术在绝缘衬底上做出一层或多层平面金属电极；B、而后将传感纳米材料放入一种电介质溶剂中，并通过超声使其扩散均匀制成含有纳米材料的悬浮液；取少量悬浮液滴入微电极中间，根据被操控材料和所选用溶剂的介电特性，确定在该系统中产生正介电泳现象所要施加操控信号的频率范围，选择一个适当的频率值。在电极两端施加一个同样频率的交流电信号，使位于其间的传感材料在正介电泳力作用下沿着电场线方向有序的排布在电极中间，形成纳米传感材料在微电极结构中的排布和跨接；C、以挥发等方式完全去除溶剂后，进行传感结构引线封装做成最终微纳湿度传感器。这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，原则上适用于所有的纳米结构材料；该材料可以是金属氧化物或者高分子聚合物，材料的几何形状是球形或棒形。同时，可任意选择一种电介质溶剂作为材料操控的载体，在实际应用中，常采用去离子水、乙醇、丙酮。现在通过采用ZnO纳米结构作为传感材料进一步描述本发明通过介电泳技术定位到平板叉指型电极结构之间，制作出一种纳米湿度传感器。首先采用微加工技术制作一个平板叉指型Ti/Au微电极。通过氧化在硅片的表面生长一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上分别以蒸镀的方式先沉积一层Ti再沉积一层Au，然后旋涂正(光刻)胶、前烘、光刻、显影、后烘坚膜，再进行Au、Ti的腐蚀，完成微电极制作。而后将待操控的纳米材料溶入去离子水中，然后将悬浮液放入超声池超声20min。用移液器取少量悬浮液移入电极中间区。根据去离子水和ZnO材料的介电特性，当操控交流信号的频率在lKHz-10KHz之间时，系统出现较明显的负介电泳现象，当频率在200KHz-2MHz之间时，系统出现较明显的正介电泳现象。采用DDS任意波形发生器在电极的两端施加频率为lMHz、幅度为8V的正弦交流信号，在电极之间对材料进行正介电泳操控，在室温下直至溶剂完全挥发，这样Zn0纳米结构就被定位到平板叉指型电极之间了。由于ZnO纳米结构对湿度具有很好的吸附和解吸附性能，是一种很好的湿敏材料。所采用的ZnO纳米结构采用溶胶-凝胶法生长，所生长的纳米棒直径在200nm，长度在10pm。在实际的制作中，这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，原则上适用于所有的纳米结构；原则上可以任意选择一种电介质溶剂作为材料操控的载体，在实际应用中，常采用去离子水、乙醇或丙酮作电介质溶剂。为了检验操控的效果，对所制作的传感结构进行相对湿度测试加以校验。实验中所需要的标准湿度通过盐的饱和溶液法产生。在一个标准大气压下，实验温度为25。C时，取CuS04,NaCl，CuCl2，NaBr,K2C03，MgCL等6种饱和盐溶液，它们的相对湿度值分别为97.6%,75.29%，68%，57.57%，43.16%，32.78%，将传感结构两个接入端连接到LCR电桥阻抗测量仪进行交流阻抗测量。1.灵敏度在lVrms、lOKHz条件下，先按相对湿度递增的顺序，切换不同相对湿度的样品环境，记录六个测量值。再按相对湿度递减的顺序测量，往返测量3次，取得6组测量值。分别取频率为lKHz、120Hz、100Hz,重复上面的操作。将同一测量条件下对应于每个相对湿度值的多次测量值加以平均，求出三个正反行程的实测平均值，并进行线性拟合，我们可以得到在四个不同频率下,交流阻抗随相对湿度变化的拟合直线，如图1-4所示。表1图1中四个不同频率下的传感结构的灵敏度分析测试频率拟合直线方程灵敏度相关度R卜10KHzY=2982,61838-28.52914x-28.52R=-0.99何KHzy=10641.06644-120.86474x-120.86R=-0.91—120Hzy=12643.22544-144.56975x-144.56R=-0.90fH00Hzy=12887.8662-146"0763x-146.卯R=-0.90从表1中可以看到，在不同的测试频率下，各条拟合直线的斜率都是负值，说明传感结构的交流阻抗随着测试环境相对湿度的增大而明显地逐渐减小。拟合直线的斜率的绝对值即为传感结构的灵敏度。可以看到随着测试频率的降低，拟合直线的斜率的绝对值变大，说明传感结构对相对湿度的灵敏度增高；同时，相关系数大小随测试频率的降低有微小波动并趋于变小，但总体数值较高，说明传感结构在不同测试频率条件下都具有较好的稳定性，并且在高频条件下会更稳定。2.重复性在lVrms、10KHz条件下，按测试环境的相对湿度由低到高的方向作全程连续3次重复测量，湿度传感结构的阻抗随湿度变化的曲线如图2所示。从图中可以看到，传感结构具有较好的重复性。表2是图2中阻抗随湿度变化的重复性分析，先求出3次测量的平均值和标准偏差，进一步可以得到相对标准偏差。表2图2中阻抗随湿度变化的重复性分析<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表2中可以看到，随着测试环境相对湿度增大，测量结果的相对标准偏差趋于变大，说明在低湿条件下，传感结构的阻抗测量值之间的接近程度越好，重复性越好。3.湿滞及响应时间在1Vrms、lKHz的条件下，先按相对湿度值递增的顺序测试一次，再按相反的湿度递减方向测试一次。可以得到阻抗随湿度变化的正反行程曲线，如图3所示。图中位置较上的曲线是传感结构的湿度递增阻抗变化曲线(正行程)，和下面的湿度递减阻抗变化曲线(反行程)比较，可以看到，对于同一个湿度测试点，在正行程中的测量值总是稍高于在反行程中的测量值，并且在正行程中的响应时间总是要比在反行程中响应时间短，可能是由于吸湿比脱湿容易的原因。在同一个测试行程中，无论是正行程还是反行程，低湿度时吸湿与脱湿都较快，而高湿度时，开始吸湿很快，接近饱和吸湿变慢，这与多层吸附理论一致。介电泳技术是一种基于Maxwell经典电磁场理论的操控技术。根据介电泳理论，任何材料都会有一定的介电特性，在外加电场的作用下，它们会受到不同程度的(电偶)极化，趋于顺着外加电场方向来排列分布。如果外加电场空间分布不均匀，这些被极化的微粒就会受到一份净作用力，即介电泳力，进而造成不同程度的漂移。根据电磁理论，在外加电场￡作用下，介电微粒发生极化，形成感生电偶极子，它的感生电偶极矩？与S成正比Poc￡(1)如果存在一定的电场梯度，则电偶极子在电场中受力P可以表示为(2)悬浮液的介电常数为^，可知(3)(4)为电场的均方根，theClausius—Mosottifactor的实部，且假设微粒的半径为r，介电常数为f。—s，一i^4;^-^~^3五联合(2)、(3)式可得尸腺=2由斥)氛/)其中V为微粒的体积，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(5)式中的"*"表示复合介电常数值，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(6)必在实际应用时，(6)式还要考虑微粒和悬浮液与微粒界面出形成的双电层的表面电导。对于球状微粒，0.5,+1.0)当机《)>0时，微粒受到引力作用而趋于强电场区域，我们称之为正介电泳，到达场强区域后由于引力的作用，微粒将不再离开。当*()<0时，微粒受到斥力作用而趋于弱电场区域，我们称之为负介电泳，到达场弱区域后由于介电泳力很小或为零，微粒也将不再移动。虽然(4)式只适用于球状粒子，但扁长形的微粒更容易沿长轴方向发生极化，更适于介电泳操控,如DNA、纳米管和纳米线等。所以在很多实验和应用中，人们都选择条形材料作为操控对象。因为《(w)的值是由频率决定，所以通过改变电场频率，在同一系统中可以实现正和负介电泳。根据被操控的材料和所采用的电介质溶剂的介电特性，可以确定在系统中产生正或负介电泳所要施加电信号的频率范围，所以只要在预先设置的电极结构两端施加一个适当频率和一定幅值的交流信号，来产生可控的电场及电场梯度，就可以使系统处于正介电泳状态。在正介电泳力作用下，微粒将被吸引到强电场区，亦即一般电极尖角的边缘，从而可以实现纳米传感材料在两电极间的排列和跨接。权利要求1、一种微纳湿度传感器的制备方法，其特征是A、首先通过微加工技术在绝缘衬底上做出一层或多层平面金属微电极；B、而后将传感纳米材料放入一种电介质溶剂中，并通过超声使其扩散均匀制成含有纳米材料的悬浮液；取少量悬浮液滴入微电极中间，根据被操控材料和所选用溶剂的介电特性，确定在该系统中产生正介电泳现象所要施加操控信号的频率范围，从中选择一个适当的频率值；在电极两端施加一个同样频率和一定幅值的交流电信号，使位于其间的传感材料在正介电泳力作用下沿着电场线方向有序的排布在电极中间，形成纳米传感材料在微电极结构中的排布和跨接；C、以挥发等方式完全去除溶剂后，进行传感结构引线封装做成最终微纳湿度传感器。2、如权利要求1所述的一种微纳湿度传感器的制备方法，其特征是这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，适用于所有的纳米结构材料；任意选择一种电介质溶剂作为材料操控的载体；在实际应用中，常采用去离子水、乙醇或丙酮作电介质溶剂。全文摘要一种新型的微纳湿度传感器的制备方法A.首先通过微加工技术在绝缘衬底上做出一层或多层平面金属微电极；B.而后将传感纳米材料放入一种电介质溶剂中，并通过超声使其扩散均匀制成含有纳米材料的悬浮液；取少量悬浮液滴入微电极中间，根据被操控材料和所选用溶剂的介电特性，确定在该系统中产生正介电泳现象所要施加操控信号的频率范围，选择一个适当的频率值。在电极两端施加一个同样频率的交流电信号，使位于其间的传感材料在正介电泳力作用下沿着电场线方向有序的排布在电极中间，形成纳米传感材料在微电极结构中的排布和跨接；C.以挥发等方式完全去除溶剂后，进行传感结构引线封装做成最终微纳湿度传感器。文档编号G01N27/12GK101221143SQ200710172468公开日2008年7月16日申请日期2007年12月18日优先权日2007年12月18日发明者刘伟景,健张,蒋珂玮申请人:华东师范大学