一种快速响应与恢复式钛酸钡纳米纤维湿敏传感器的制作方法

专利名称：一种快速响应与恢复式钛酸钡纳米纤维湿敏传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种利用钙钛矿结构既能快速响应又可立即恢复的纳米材料湿度传感器件，特别是一种快速响应与恢复式钛酸钡纳米纤维湿敏传感
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背景技术：
通常，湿敏传感器是一种对湿度反应敏感的探测性器件，目前，在工业制造、医疗卫生、林业和畜牧业等领域均有广泛应用，随着社会的发展，人们对高性能湿敏传感器的需求持续增长，应用较多的湿度传感器主要有氯化锂湿度传感器、碳湿敏元件、氧化铝湿度计和陶瓷基湿度传感器等。陶瓷基湿度传感器的基本作用机理是当水分子碰撞到陶瓷表面时，部分水分子发生解离(或与陶瓷中的活性离子发生反应)，使材料电阻迅速降低从而产生湿敏活性。钙钛矿结构的钛酸钡块体陶瓷材料作为湿敏传感器材料的应用在上世纪就已被广泛报道。但是，钛酸钡块材的湿敏特性并不完美，比如存在湿滞大、反应和恢复时间长等缺点，尽管人们采取掺杂等方法克服了湿滞大的缺点，但是反应与恢复时间方面依然没有得到显著提高(Sensors andActuators B =Chemical 94 (2003) 290-293 和 Thin Solid Films 515(2007)8776-8779)。近年来，一维纳米材料因具有比表面积大等量子效应成为人们研究的焦点，特别是比表面积大、表面原子活性大等特点有助于提高传感器的灵敏度、以及减少响应与恢复时间，例如中国专利(申请号200710056363. 7，“电纺丝法制备快速响应与恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器”)报道了多种二氧化钛基、氧化锌基和氧化铁基电纺纤维湿敏传感器，其反应-恢复时间为1-10秒，这个时间长度无法启用于要求更短的响应时间场合的探测。因此，探寻一种感湿性能良好的湿敏材料、以及提高现有材料的感湿性能对于湿敏传感器的研究开发有着深远的意义。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的湿敏传感器响应速度慢的缺点，寻求研发一种当环境湿度发生变化时可以直接产生电阻信号，感湿区域大(范围从12% RH到98% RH)，反应时间和恢复时间均小于1秒的钙钛矿结构钛酸钡纳米纤维制作的超快响应湿度传感器。为了实现上述目的，本发明涉及的快速响应与恢复式湿敏传感器的主体结构包括基片、湿度响应层、电极、电流表、变阻器和直流电源；由玻璃、云母或蓝宝石材料作为不导电衬底的基片上通过收集法形成的湿度响应层为静电纺丝制备的钛酸钡纳米纤维，其厚度为100纳米至1微米，收集有静电纺丝形成的无纺布结构钛酸钡纳米纤维湿度响应层的基片封装在密闭腔式外壳内，用同轴电缆通过电极引出电极引线；电极为点状、线状或平面状结构，采用银胶连接或用铟焊接，或采用真空镀膜法蒸镀钼、金、银或铝电极；可调节电阻式结构的变阻器主要是为提高响应速度的普通变阻器或电位器；由于无纺布钛酸钡纳米纤维具有电容性，变阻器对湿度响应层产生的电流具有起放电作用，变阻器的阻值为ο. 05-1ΜΩ可调节；基片上均勻收集形成湿度响应层，基片两端的湿度响应层上分别固定制有对称结构的两个电极，其中一个电极通过导线串接电流表后接于变阻器和直流电源并联后的一个端点，另一个电极通过导线接于变阻器和直流电源并联的另一个端点，整体构成湿度传感
ο本发明涉及的湿敏传感器制备时，先按最优化的配比方案配制钛酸钡前驱体溶液；调整和选择纺丝条件，利用静电纺丝法制备的钛酸钡纳米纤维并经过退火在基片上收集形成多晶结构的钛酸钡纳米纤维湿度响应层；再用常规制膜工艺制备电极并焊接出电极引线，然后采用常规半导体封装工艺封装在外壳内，制备出钛酸钡纳米纤维湿敏传感器单体；最后按电学原理连接电流表、变阻器和直流电源构成快速响应与恢复式湿敏传感器。本发明与现有技术相比，一是直接把钛酸钡前驱溶液电纺在玻璃、云母或蓝宝石材料的基片上，其制备方法简单、廉价、生产效率高；二是钛酸钡纳米纤维是由很多纳米晶体构成的多晶结构，与单晶纤维或薄膜相比，具有更大的比表面积和更多的晶界，在湿敏传感性能方面性能更好；三是当环境湿度发生变化时，该传感器直接产生阻抗信号，探测湿度数值，其感湿区间为12% RH到98% RH，湿敏宽度大；四是探测过程灵敏度高，恢复迅速，其响应时间在10°秒量级；可广泛应用于工业制造、医疗卫生、交通安全、林业和畜牧业等多个领域。


图1为本发明构成的湿敏传感器连接结构原理示意图，其中包括基片1、湿度响应层2、电极3、电流表4、变阻器5和直流电源6。图2为本发明涉及的湿敏传感器在800°C退火3小时后的扫描电镜照片，其中(a) 为放大倍数X3500，(b)为放大倍数X 15000。图3为本发明涉及的湿敏传感器的感湿特性曲线。图4为本发明涉及的湿敏传感器的响应与恢复时间均为1秒内产生的阻抗信号。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图做进一步说明。实施例本实施例涉及的快速响应与恢复式湿敏传感器的主体结构包括基片1、湿度响应层2、电极3、电流表4、变阻器5和直流电源6 ；由玻璃、云母或蓝宝石材料作为不导电衬底的基片1上通过收集法形成的湿度响应层2为静电纺丝制备的钛酸钡纳米纤维，其厚度为 100纳米至1微米，收集有静电纺丝形成的无纺布结构钛酸钡纳米纤维湿度响应层2的基片 1封装在密闭腔式外壳内，用同轴电缆通过电极3引出电极引线；电极3为点状、线状或平面状结构，采用银胶连接或用铟焊接，或采用真空镀膜法蒸镀钼、金、银或铝电极；可调节电阻式结构的变阻器5主要是为提高响应速度的普通变阻器或电位器；由于无纺布钛酸钡纳米纤维具有电容性，变阻器5对湿度响应层2产生的电流具有起放电作用，变阻器5的阻值为0. 05-1ΜΩ可调节；基片1上均勻收集形成湿度响应层2，基片1两端的湿度响应层2上分别固定制有对称结构的两个电极3，其中一个电极3通过导线串接电流表后接于变阻器5 和直流电源6并联后的一个端点，另一个电极3通过导线接于变阻器5和直流电源6并联的另一个端点，整体构成湿度传感器。本实施例实现时，先按最优化的配比配制钛酸钡前驱体溶液；再按需要选择好纺丝条件，利用静电纺丝设备和方式经过退火在基片上形成多晶结构的纤维湿度响应层2 ； 再用常规制膜工艺制备电极3并焊接出电极引线，然后采用常规半导体封装工艺封装在外壳内，构成单体的钛酸钡纳米纤维湿敏传感器；其具体制备过程是先称量1. 5克乙酸钡、5克乙醇、4克乙酸和1克去离子水，混合搅拌30分钟后，加入2克钛酸丁酯，再搅拌20分钟；加入3. 3克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌1. 5小时，搅拌均勻后即为静电纺丝前驱体溶液；再用静电纺丝设备方法在空气中进行纺丝，纺丝条件为 电压20千伏，纺丝喷头内直径为0. 42毫米，喷头到收集极(本发明的基片)之间的距离为15厘米，温度25°C，空气湿度为25% RH，纺丝时间为10分钟；在纺丝过程中溶剂挥发即得到合成态钛酸钡微纳米纤维的无纺布，纤维直径约为300纳米；在经过80(TC退火3小时后，PVP完全分解，生成了多晶纤维，退火后的钛酸钡纤维直径在120-200纳米之间，虽然直径减少，但是从图中可看到大部分纤维仍然是连续的，且纤维由致密微晶组成；纤维长度能够达到几百微米或毫米量级，构成无纺布湿度响应层2 ；把收集有纺丝纤维的基片样品切割成尺寸为IX Icm2作为湿敏元件，用铟在钛酸钡纳米纤维无纺布表面固定约为Φ = 2毫米的电极3;用两根细铜线做引线，并用银胶将引线固定，测定湿敏元件在湿度环境中阻抗值变化；变阻器5选用的阻值为2k Ω ；电流表和直流电压源采用的是Keithley 6487 ；用上述钛酸钡湿敏传感器探测湿度环境12% RH和98% RH ；图3显示了在10伏电压下传感器的湿滞回线；图4是其响应-恢复曲线，响应-恢复时间都在1秒以内，约0. 5秒；可见，该传感器不仅具有超快响应过程，而且具有很高的灵敏度。
权利要求
1.一种快速响应与恢复式钛酸钡纳米纤维湿敏传感器，其特征在于主体结构包括基片、湿度响应层、电极、电流表、变阻器和直流电源；由玻璃、云母或蓝宝石材料作为不导电衬底的基片上通过收集法形成的湿度响应层为静电纺丝制备的钛酸钡纳米纤维，其厚度为 100纳米至1微米，收集有静电纺丝形成的无纺布结构钛酸钡纳米纤维湿度响应层的基片封装在密闭腔式外壳内，用同轴电缆通过电极引出电极引线；电极为点状、线状或平面状结构，采用银胶连接或用铟焊接，或采用真空镀膜法蒸镀钼、金、银或铝电极；可调节电阻式结构的变阻器为普通变阻器或电位器；无纺布钛酸钡纳米纤维具有电容性，变阻器对湿度响应层产生的电流具有起放电作用，变阻器的阻值为0.05-1ΜΩ可调节；基片上均勻收集形成湿度响应层，基片两端的湿度响应层上分别固定制有对称结构的两个电极，其中一个电极通过导线串接电流表后接于变阻器和直流电源并联后的一个端点，另一个电极通过导线接于变阻器和直流电源并联的另一个端点，整体构成湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的快速响应与恢复式钛酸钡纳米纤维湿敏传感器，其特征在于涉及的湿敏传感器制备时，先按配比方案配制钛酸钡前驱体溶液；调整和选择纺丝条件，利用静电纺丝法制备的钛酸钡纳米纤维并经过退火在基片上收集形成多晶结构的钛酸钡纳米纤维湿度响应层；再用常规制膜工艺制备电极并焊接出电极引线，然后采用半导体封装工艺封装在外壳内，制备出钛酸钡纳米纤维湿敏传感器单体；最后按电学原理连接电流表、 变阻器和直流电源构成快速响应与恢复式湿敏传感器。
全文摘要
本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种快速响应与恢复式钛酸钡纳米纤维湿敏传感器，由玻璃、云母或蓝宝石材料作为不导电衬底的基片上通过收集法形成的湿度响应层为静电纺丝制备的钛酸钡纳米纤维，基片封装在密闭腔式外壳内，用同轴电缆通过电极引出电极引线；基片两端的湿度响应层上分别固定制有两个电极，一个电极通过导线串接电流表后接于变阻器和直流电源并联后的一个端点，另一个电极通过导线接于变阻器和直流电源并联的另一个端点，构成湿度传感器；其制备方法简单、廉价、生产效率高，湿敏宽度大，灵敏度高，恢复迅速，可广泛应用于林业和畜牧业等多个领域。
文档编号G01N27/02GK102435636SQ20111027667
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者刘帅, 卢朝靖, 唐成春, 孙彬, 张红娣, 盛琛皓, 龙云泽 申请人:青岛大学