一种增强抗湿性能的纳米粒子组装材料气敏传感器及其制备方法

1.本发明涉及气敏传感稳定性领域，具体是涉及一种增强抗湿性能的纳米粒子组装材料气敏传感器及其制备方法。


背景技术：

2.以金属纳米粒子为主的组装材料是非常理想的传感材料，具有灵敏度高、响应速度快、易于制备等优点，被广泛用于气敏传感领域。
3.金属纳米粒子组装材料用于气敏传感的技术已较为成熟，但其信号稳定性易受湿度干扰，输出信号在高湿度环境下（尤其是经长久放置后）表现出较明显的基线漂移，故在高湿度条件下易出现测量可靠性不佳、传感器无法真实反应环境中目标气体浓度的情况，严重制约了该材料体系在气体传感中的应用，尤其是长期在高湿度环景中，湿度会对传感信号造成严重干扰，甚至使得传感材料失效。为此，提高纳米粒子组装材料抗湿性能是亟待解决的技术难题。
4.基于此，本发明提出在材料表面涂镀一层或多层一定厚度的pmma、pdms、ptfe、pfa、sio2等疏水材料，对纳米粒子组装材料进行保护，可有效避免湿度造成的影响。与现有措施相比，本发明方法同时兼具制备简单、成本低、效果显著等优势。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服金属纳米粒子组装传感材料信号易受湿度干扰的问题，提供了一种增强抗湿性能的纳米粒子组装材料气敏传感器及其制备方法。本发明利用物理气相沉积技术和旋涂蒸镀技术，制备出表面覆有pmma、pdms、ptfe、pfa、sio2等疏水薄膜层的金属纳米粒子组装材料，形成包覆嵌埋结构，对金属纳米粒子及叉指电极表面进行保护，隔离水分子在金属纳米粒子表面的吸附，从而达到抗湿目的。本发明显著提高了金属纳米粒子组装材料的抗湿能力，使得金属纳米粒子组装材料在高湿度环境中的基线漂移程度大幅降低，具体在实施例中表现为：覆盖pmma的纳米粒子组装材料单位时间电导相对变化率由0.14516 %/h降至0.04632 %/h；覆盖pmma和pdms双层膜的纳米粒子组装材料单位时间电导相对变化率由0.23458 %/h降至0.0258 %/h。
6.本发明是通过如下方案实现的：所述的一种增强抗湿性能的纳米粒子组装材料气敏传感器，其特征在于包括带有绝缘衬底的叉指电极以及在叉指电极上沉积的金属纳米粒子，当在叉指电极的电极两端输入电压，叉指之间形成偏压，通过金属纳米粒子形成导电通路，产生电信号作为气敏传感响应信号；在叉指电极及金属纳米粒子的表面涂镀疏水薄膜层，形成包覆嵌埋结构，对金属纳米粒子及叉指电极表面进行保护，隔离水分子在金属纳米粒子表面的吸附，从而达到抗湿作用；其中，疏水薄膜层为pmma、pdms、ptfe、pfa和sio2疏水材料中的一种或多种。
7.进一步地，所述绝缘衬底为硅片绝缘层，叉指电极是在硅片绝缘层上呈叉指状镀
金丝所形成的金叉指电极。
8.进一步地，pmma、pdms、ptfe、pfa和sio2疏水材料中的一种或多种，通过旋涂或蒸镀的方法，涂镀于叉指电极及金属纳米粒子表面，与金属纳米粒子形成包覆嵌埋结构，对金属纳米粒子及叉指电极表面进行保护。
9.进一步地，疏水薄膜层在叉指电极表面的覆盖厚度在50 nm
–
100 μm之间。
10.所发明的一种增强抗湿性能的纳米粒子组装材料，其特征在于利用团簇束流沉积设备，采用气相沉积法进行制备。其制备过程为：将金属靶材放置在团簇束流沉积设备的溅射枪上，将叉指电极放置在团簇束流沉积设备的沉积室中，对整个装置进行抽真空，待真空度达到要求后，通入高纯氩气作为溅射气和缓冲气，调节功率进行溅射沉积，金属靶材通过溅射，部分被气化为金属原子，原子在缓冲气中相互碰撞长大，通过差分抽气的方法形成纳米粒子束流，束流被引向沉积室，最终沉积于放置好的叉指电极表面。
11.制得样品后，将叉指电极取出，将配置好的pmma、pdms等疏水材料通过高速旋涂机旋涂于叉指电极表面，形成疏水薄膜层，对电极表面和上面的纳米粒子进行包裹保护。旋涂后静置一段时间，再和未旋涂保护层的样品放置于相同湿度环境下进行测试比较，通入恒定电压后，通过吉时利数字源表和多通道继电器进行电导信号采集。
12.进一步地，溅射腔内气压保持在100~120pa。
13.进一步地，将金属靶材的溅射功率设置为10~15w，溅射时间为1200~2000 s。
14.进一步地，金属靶材为pd靶材。
15.相较于现有技术，本发明的优点在于：1）使用气相沉积技术制备金属纳米粒子组装材料，与传统湿法化学方法相比，制得的金属纳米粒子纯度更高，且能与现有微电子工艺兼容。且由于金属纳米粒子材料的尺寸是纳米级别，将具有更高的比表面积和更多的活性位点，大大提高了器件的气敏传感能力。2）本发明在纳米粒子组装材料表面，质地均匀的旋涂了一层或多层疏水薄膜层，此薄膜层将内部金属纳米粒子与外部环境中的水蒸气隔绝，达到增强抗湿性、提高稳定性的目的。与现有措施相比，本发明方法同时兼具制备简单、成本低、效果显著等优势。
附图说明
16.图1为本发明制备的包覆嵌埋的纳米粒子组装材料结构示意图。
17.其中：1为金属纳米粒子，2为pmma，3为pdms，4为叉指电极；图2a为本发明所制备的pd纳米粒子组装材料旋涂pmma后与未镀覆疏水保护膜的pd纳米粒子组装材料抗湿性能测试比较示意图。
18.图2b为本发明所制备的pd纳米粒子组装材料旋涂pmma和pdms后与未镀覆疏水保护膜的pd纳米粒子组装材料抗湿性能测试比较示意图。
19.具体实施方法下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
20.实施例：一种增强pd纳米粒子团簇组装材料抗湿性能的方法：（1）制备将pd靶材放置在团簇束流沉积设备的溅射枪上，将带有绝缘衬底的叉指电极放置
在团簇束流沉积系统的沉积室中，对整个装置进行抽真空，使沉积室真空达到2
×
10-4 pa。其中，绝缘衬底为硅片绝缘层，叉指电极是在硅片绝缘层上呈叉指状镀金丝所形成的金叉指电极。待真空度达到要求后，对装有pd靶材的溅射腔通入20 sccm的溅射气和30 sccm的缓冲气，此时溅射腔中气压为1.1
×
102pa，再调节功率至13w，在此条件下溅射1800s左右，溅射时间最终以使叉指电极达到一定的导电能力为准，即在1v外加电压下，溅射至使叉指电极渗流达到1ua上下，即制得表面负载有pd纳米粒子的组装材料。
21.取2个表面负载有pd纳米粒子的组装材料，将其中一个用kw-4a型台式匀胶机在表面旋涂上一层pmma，先匀加速18s使转速达到1000r/min，再在此转速下旋涂60s，pmma在金叉指电极表面的旋涂厚度为5um，得到具有一层疏水保护膜的pd纳米粒子组装材料。第二个用同样方法先旋涂一层5um的pmma，再旋涂一层5um厚的pdms，得到具有两种材料保护层的pd纳米粒子组装材料，其结构示意图如图1所示，其结构包括绝缘衬底以及绝缘衬底上的叉指电极4，表面沉积有金属纳米粒子1，以及在叉指电极4和金属纳米粒子1上依次镀覆的pmma 2和pdms 3。
22.（2）对上述得到的表面涂覆有保护层的pd纳米粒子组装材料进行湿度稳定性测试：将上述得到的2个表面涂覆有保护层的pd纳米粒子组装材料，以及未涂覆有保护层的pd纳米粒子组装材料进行以下测试：pd纳米粒子组装材料放置于40℃、rh=68%的环境下，叉指电极两端接入吉时利数字源表，用源表在电极两端施加1 v的恒定电压，通过源表将不同时间的电导信号采集下来。利用以下公式计算电导相对变化率：。
23.其中g0为叉指电极初始电导值，g为叉指电极实时测得的电导值。实验结果为：本发明所制备的pd纳米粒子组装材料旋涂pmma后与未涂覆疏水保护层的pd纳米粒子组装材料抗湿性能测试比较示意图如图2a所示，本发明所制备的pd纳米粒子组装材料旋涂pmma和pdms后与未涂覆疏水保护层的pd纳米粒子组装材料抗湿性能测试比较示意图如图2b所示。
24.从图2a和图2b中可以看出，未涂覆疏水保护层的pd纳米粒子组装材料进行湿度稳定性测试时，湿度对电导值信号稳定性有较大影响，尤其是较长时间测试时，基线值会发生很大程度的漂移，即无法始终准确的反应实际值。对比图2a和图2b的结果可以看出，图2b中pd纳米粒子组装材料旋涂pmma和pdms后的抗湿性能更优。
25.本发明提供了可行的解决方案，即在器件表面涂镀一定厚度的单层或多层疏水材料（即图2a中pd纳米粒子组装材料旋涂pmma后的复合材料，以及图2b中pd纳米粒子组装材料旋涂pmma和pdms后的复合材料），形成包覆嵌埋结构，对纳米粒子器件进行保护，可有效避免湿度对测试的干扰。