專利名稱：一種快速響應(yīng)與恢復(fù)式鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)既能快速響應(yīng)又可立即恢復(fù)的納米材料濕度傳感器件，特別是一種快速響應(yīng)與恢復(fù)式鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感
O
背景技術(shù)：
通常，濕敏傳感器是一種對(duì)濕度反應(yīng)敏感的探測(cè)性器件，目前，在工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、林業(yè)和畜牧業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)高性能濕敏傳感器的需求持續(xù)增長，應(yīng)用較多的濕度傳感器主要有氯化鋰濕度傳感器、碳濕敏元件、氧化鋁濕度計(jì)和陶瓷基濕度傳感器等。陶瓷基濕度傳感器的基本作用機(jī)理是當(dāng)水分子碰撞到陶瓷表面時(shí)，部分水分子發(fā)生解離(或與陶瓷中的活性離子發(fā)生反應(yīng))，使材料電阻迅速降低從而產(chǎn)生濕敏活性。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇塊體陶瓷材料作為濕敏傳感器材料的應(yīng)用在上世紀(jì)就已被廣泛報(bào)道。但是，鈦酸鋇塊材的濕敏特性并不完美，比如存在濕滯大、反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間長等缺點(diǎn)，盡管人們采取摻雜等方法克服了濕滯大的缺點(diǎn)，但是反應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間方面依然沒有得到顯著提高(Sensors andActuators B =Chemical 94 (2003) 290-293 和 Thin Solid Films 515(2007)8776-8779)。近年來，一維納米材料因具有比表面積大等量子效應(yīng)成為人們研究的焦點(diǎn)，特別是比表面積大、表面原子活性大等特點(diǎn)有助于提高傳感器的靈敏度、以及減少響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間，例如中國專利(申請(qǐng)?zhí)?00710056363. 7，“電紡絲法制備快速響應(yīng)與恢復(fù)陶瓷基納米纖維濕敏傳感器”)報(bào)道了多種二氧化鈦基、氧化鋅基和氧化鐵基電紡纖維濕敏傳感器，其反應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間為1-10秒，這個(gè)時(shí)間長度無法啟用于要求更短的響應(yīng)時(shí)間場(chǎng)合的探測(cè)。因此，探尋一種感濕性能良好的濕敏材料、以及提高現(xiàn)有材料的感濕性能對(duì)于濕敏傳感器的研究開發(fā)有著深遠(yuǎn)的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的濕敏傳感器響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，尋求研發(fā)一種當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)可以直接產(chǎn)生電阻信號(hào)，感濕區(qū)域大(范圍從12% RH到98% RH)，反應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均小于1秒的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈦酸鋇納米纖維制作的超快響應(yīng)濕度傳感器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的快速響應(yīng)與恢復(fù)式濕敏傳感器的主體結(jié)構(gòu)包括基片、濕度響應(yīng)層、電極、電流表、變阻器和直流電源；由玻璃、云母或藍(lán)寶石材料作為不導(dǎo)電襯底的基片上通過收集法形成的濕度響應(yīng)層為靜電紡絲制備的鈦酸鋇納米纖維，其厚度為100納米至1微米，收集有靜電紡絲形成的無紡布結(jié)構(gòu)鈦酸鋇納米纖維濕度響應(yīng)層的基片封裝在密閉腔式外殼內(nèi)，用同軸電纜通過電極引出電極引線；電極為點(diǎn)狀、線狀或平面狀結(jié)構(gòu)，采用銀膠連接或用銦焊接，或采用真空鍍膜法蒸鍍鉬、金、銀或鋁電極；可調(diào)節(jié)電阻式結(jié)構(gòu)的變阻器主要是為提高響應(yīng)速度的普通變阻器或電位器；由于無紡布鈦酸鋇納米纖維具有電容性，變阻器對(duì)濕度響應(yīng)層產(chǎn)生的電流具有起放電作用，變阻器的阻值為ο. 05-1ΜΩ可調(diào)節(jié)；基片上均勻收集形成濕度響應(yīng)層，基片兩端的濕度響應(yīng)層上分別固定制有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極通過導(dǎo)線串接電流表后接于變阻器和直流電源并聯(lián)后的一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)電極通過導(dǎo)線接于變阻器和直流電源并聯(lián)的另一個(gè)端點(diǎn)，整體構(gòu)成濕度傳感
ο本發(fā)明涉及的濕敏傳感器制備時(shí)，先按最優(yōu)化的配比方案配制鈦酸鋇前驅(qū)體溶液；調(diào)整和選擇紡絲條件，利用靜電紡絲法制備的鈦酸鋇納米纖維并經(jīng)過退火在基片上收集形成多晶結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米纖維濕度響應(yīng)層；再用常規(guī)制膜工藝制備電極并焊接出電極引線，然后采用常規(guī)半導(dǎo)體封裝工藝封裝在外殼內(nèi)，制備出鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器單體；最后按電學(xué)原理連接電流表、變阻器和直流電源構(gòu)成快速響應(yīng)與恢復(fù)式濕敏傳感器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，一是直接把鈦酸鋇前驅(qū)溶液電紡在玻璃、云母或藍(lán)寶石材料的基片上，其制備方法簡單、廉價(jià)、生產(chǎn)效率高；二是鈦酸鋇納米纖維是由很多納米晶體構(gòu)成的多晶結(jié)構(gòu)，與單晶纖維或薄膜相比，具有更大的比表面積和更多的晶界，在濕敏傳感性能方面性能更好；三是當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，該傳感器直接產(chǎn)生阻抗信號(hào)，探測(cè)濕度數(shù)值，其感濕區(qū)間為12% RH到98% RH，濕敏寬度大；四是探測(cè)過程靈敏度高，恢復(fù)迅速，其響應(yīng)時(shí)間在10°秒量級(jí)；可廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、交通安全、林業(yè)和畜牧業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明構(gòu)成的濕敏傳感器連接結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中包括基片1、濕度響應(yīng)層2、電極3、電流表4、變阻器5和直流電源6。圖2為本發(fā)明涉及的濕敏傳感器在800°C退火3小時(shí)后的掃描電鏡照片，其中(a) 為放大倍數(shù)X3500，(b)為放大倍數(shù)X 15000。圖3為本發(fā)明涉及的濕敏傳感器的感濕特性曲線。圖4為本發(fā)明涉及的濕敏傳感器的響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間均為1秒內(nèi)產(chǎn)生的阻抗信號(hào)。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖做進(jìn)一步說明。實(shí)施例本實(shí)施例涉及的快速響應(yīng)與恢復(fù)式濕敏傳感器的主體結(jié)構(gòu)包括基片1、濕度響應(yīng)層2、電極3、電流表4、變阻器5和直流電源6 ；由玻璃、云母或藍(lán)寶石材料作為不導(dǎo)電襯底的基片1上通過收集法形成的濕度響應(yīng)層2為靜電紡絲制備的鈦酸鋇納米纖維，其厚度為 100納米至1微米，收集有靜電紡絲形成的無紡布結(jié)構(gòu)鈦酸鋇納米纖維濕度響應(yīng)層2的基片 1封裝在密閉腔式外殼內(nèi)，用同軸電纜通過電極3引出電極引線；電極3為點(diǎn)狀、線狀或平面狀結(jié)構(gòu)，采用銀膠連接或用銦焊接，或采用真空鍍膜法蒸鍍鉬、金、銀或鋁電極；可調(diào)節(jié)電阻式結(jié)構(gòu)的變阻器5主要是為提高響應(yīng)速度的普通變阻器或電位器；由于無紡布鈦酸鋇納米纖維具有電容性，變阻器5對(duì)濕度響應(yīng)層2產(chǎn)生的電流具有起放電作用，變阻器5的阻值為0. 05-1ΜΩ可調(diào)節(jié)；基片1上均勻收集形成濕度響應(yīng)層2，基片1兩端的濕度響應(yīng)層2上分別固定制有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)電極3，其中一個(gè)電極3通過導(dǎo)線串接電流表后接于變阻器5 和直流電源6并聯(lián)后的一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)電極3通過導(dǎo)線接于變阻器5和直流電源6并聯(lián)的另一個(gè)端點(diǎn)，整體構(gòu)成濕度傳感器。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)時(shí)，先按最優(yōu)化的配比配制鈦酸鋇前驅(qū)體溶液；再按需要選擇好紡絲條件，利用靜電紡絲設(shè)備和方式經(jīng)過退火在基片上形成多晶結(jié)構(gòu)的纖維濕度響應(yīng)層2 ； 再用常規(guī)制膜工藝制備電極3并焊接出電極引線，然后采用常規(guī)半導(dǎo)體封裝工藝封裝在外殼內(nèi)，構(gòu)成單體的鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器；其具體制備過程是先稱量1. 5克乙酸鋇、5克乙醇、4克乙酸和1克去離子水，混合攪拌30分鐘后，加入2克鈦酸丁酯，再攪拌20分鐘；加入3. 3克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，攪拌1. 5小時(shí)，攪拌均勻后即為靜電紡絲前驅(qū)體溶液；再用靜電紡絲設(shè)備方法在空氣中進(jìn)行紡絲，紡絲條件為 電壓20千伏，紡絲噴頭內(nèi)直徑為0. 42毫米，噴頭到收集極(本發(fā)明的基片)之間的距離為15厘米，溫度25°C，空氣濕度為25% RH，紡絲時(shí)間為10分鐘；在紡絲過程中溶劑揮發(fā)即得到合成態(tài)鈦酸鋇微納米纖維的無紡布，纖維直徑約為300納米；在經(jīng)過80(TC退火3小時(shí)后，PVP完全分解，生成了多晶纖維，退火后的鈦酸鋇纖維直徑在120-200納米之間，雖然直徑減少，但是從圖中可看到大部分纖維仍然是連續(xù)的，且纖維由致密微晶組成；纖維長度能夠達(dá)到幾百微米或毫米量級(jí)，構(gòu)成無紡布濕度響應(yīng)層2 ；把收集有紡絲纖維的基片樣品切割成尺寸為IX Icm2作為濕敏元件，用銦在鈦酸鋇納米纖維無紡布表面固定約為Φ = 2毫米的電極3;用兩根細(xì)銅線做引線，并用銀膠將引線固定，測(cè)定濕敏元件在濕度環(huán)境中阻抗值變化；變阻器5選用的阻值為2k Ω ；電流表和直流電壓源采用的是Keithley 6487 ；用上述鈦酸鋇濕敏傳感器探測(cè)濕度環(huán)境12% RH和98% RH ；圖3顯示了在10伏電壓下傳感器的濕滯回線；圖4是其響應(yīng)-恢復(fù)曲線，響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間都在1秒以內(nèi)，約0. 5秒；可見，該傳感器不僅具有超快響應(yīng)過程，而且具有很高的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種快速響應(yīng)與恢復(fù)式鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括基片、濕度響應(yīng)層、電極、電流表、變阻器和直流電源；由玻璃、云母或藍(lán)寶石材料作為不導(dǎo)電襯底的基片上通過收集法形成的濕度響應(yīng)層為靜電紡絲制備的鈦酸鋇納米纖維，其厚度為 100納米至1微米，收集有靜電紡絲形成的無紡布結(jié)構(gòu)鈦酸鋇納米纖維濕度響應(yīng)層的基片封裝在密閉腔式外殼內(nèi)，用同軸電纜通過電極引出電極引線；電極為點(diǎn)狀、線狀或平面狀結(jié)構(gòu)，采用銀膠連接或用銦焊接，或采用真空鍍膜法蒸鍍鉬、金、銀或鋁電極；可調(diào)節(jié)電阻式結(jié)構(gòu)的變阻器為普通變阻器或電位器；無紡布鈦酸鋇納米纖維具有電容性，變阻器對(duì)濕度響應(yīng)層產(chǎn)生的電流具有起放電作用，變阻器的阻值為0.05-1ΜΩ可調(diào)節(jié)；基片上均勻收集形成濕度響應(yīng)層，基片兩端的濕度響應(yīng)層上分別固定制有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極通過導(dǎo)線串接電流表后接于變阻器和直流電源并聯(lián)后的一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)電極通過導(dǎo)線接于變阻器和直流電源并聯(lián)的另一個(gè)端點(diǎn)，整體構(gòu)成濕度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)與恢復(fù)式鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器，其特征在于涉及的濕敏傳感器制備時(shí)，先按配比方案配制鈦酸鋇前驅(qū)體溶液；調(diào)整和選擇紡絲條件，利用靜電紡絲法制備的鈦酸鋇納米纖維并經(jīng)過退火在基片上收集形成多晶結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇納米纖維濕度響應(yīng)層；再用常規(guī)制膜工藝制備電極并焊接出電極引線，然后采用半導(dǎo)體封裝工藝封裝在外殼內(nèi)，制備出鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器單體；最后按電學(xué)原理連接電流表、 變阻器和直流電源構(gòu)成快速響應(yīng)與恢復(fù)式濕敏傳感器。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種快速響應(yīng)與恢復(fù)式鈦酸鋇納米纖維濕敏傳感器，由玻璃、云母或藍(lán)寶石材料作為不導(dǎo)電襯底的基片上通過收集法形成的濕度響應(yīng)層為靜電紡絲制備的鈦酸鋇納米纖維，基片封裝在密閉腔式外殼內(nèi)，用同軸電纜通過電極引出電極引線；基片兩端的濕度響應(yīng)層上分別固定制有兩個(gè)電極，一個(gè)電極通過導(dǎo)線串接電流表后接于變阻器和直流電源并聯(lián)后的一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)電極通過導(dǎo)線接于變阻器和直流電源并聯(lián)的另一個(gè)端點(diǎn)，構(gòu)成濕度傳感器；其制備方法簡單、廉價(jià)、生產(chǎn)效率高，濕敏寬度大，靈敏度高，恢復(fù)迅速，可廣泛應(yīng)用于林業(yè)和畜牧業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N27/02GK102435636SQ20111027667
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者劉帥, 盧朝靖, 唐成春, 孫彬, 張紅娣, 盛琛皓, 龍?jiān)茲?申請(qǐng)人:青島大學(xué)