CN102435642A - 一种湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)制备亲水性的纳米金刚石颗粒；(2)使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入金属电极；在压制装置释放压力之前对嵌有电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界连通的开口。本发明还公开了上述制备方法制备的湿度传感器。与现有技术相比，本发明的湿度传感器灵敏度高、适用温度范围广、生产成本低下、可实现同步在线测量，并且能应用于恶劣的化学环境中进行湿度测量。

Description

一种湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及湿度传感器，特别涉及一种基于纳米金刚石颗粒的湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器广泛应用于气象、军事、工业(特别是纺织、电子、食品、烟草工业)、农业、医疗、建筑、家用电器及日常生活等各种场合的湿度检测、控制与报警。随着现代化建设和国民经济的深入发展，社会对湿度传感器的要求也越来越高，如果湿度不能合乎要求，生产出来的材料和产品的性能品质会大大降低，成品率将大大下降。传统的湿度检测方法选用毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，这类方法效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。改进后的精度较高的湿度传感器由金属氧化物陶瓷或有机高分子材料制成。金属氧化物陶瓷制备的湿度传感器也称电阻式湿度传感器，具有灵敏度高、使用寿命长等优点，然而其制备工艺复杂，主要有溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、物理气相沉积法(如溅射、热蒸发、电子束沉积、激光脉冲沉积)等，生产效率低下。另外，金属氧化物在恶劣化学气氛环境下，由于金属氧化物本身不耐腐蚀，容易跟环境气体发生化学反应，因而应用领域有限。有机高分子材料制成的湿度传感器主要有两类：某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器。相对金属氧化物陶瓷材料湿度传感器，有机高分子材料湿度传感器成本低廉，然而由于材料本身性质决定了这类传感器不可在低温下使用，因而应用领域同样有限。

中国专利200810046860.3，公开了用作湿度传感器的纳米氧化锡陶瓷膜的制作方法，制备过程包括：制备含有金属阳离子、有机单体、交联剂及引发剂的混合溶液；催化引发形成凝胶；制备适于涂膜的浆料；涂膜；热处理。所获得的膜具有网络状疏松多孔结构，结晶良好，颗粒呈球形或类球形，粒度分布窄。然而因氧化锡本身易与NO，NO₂，CO，H₂，H₂S和C₂H₅OH等其他气体发生化学反应，因而对湿度检测的选择性差。中国专利200810037939.X，公开了一种Ni/Si纳米线阵列的制备方法以及基于这种纳米线阵列的湿度传感器。该器件首先在硅衬底上硅纳米线阵列，然后再该阵列上沉积镍薄膜，其制备过程复杂，工艺控制困难。中国专利200610037751.6公布了基于高分子薄膜电容湿度敏感元件的微水在线检测方法和仪器，然而该方法测量范围为10-2000ppm，不能应用于10ppm以下及附近的湿度检测。

纳米金刚石颗粒是金刚石材料的新成员，它不但具有大块金刚石所固有的综合优异性能，还因其比表面积大，表面原子数增多，表面能高，具有很高的表面活性等奇异特性。纳米金刚石颗粒是指平均粒度分布小于150纳米的金刚石颗粒。金刚石也称钻石，具有自然界中最高的硬度、最大的杨氏模量、最快的纵波音速、最宽的透明范围、最高的导热系数，是集各种优异的性能于一体的新型功能材料。金刚石材料具备极佳化学稳定性和耐腐蚀性，因而极其适合在恶劣化学环境下使用。另外，金刚石本身是一种特殊的宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到5.5eV，经过适当掺杂，即可具备一定的电学性能。然而，纳米金刚石颗粒的应用尚处于起步阶段，目前主要集中在机械性能上的应用，如用作抛光液原料，耐磨部件的表面涂层，增韧填充颗粒等。

油浸式有载分接开关是电力变压器的核心设备。分接开关由触头系统和选择器组成。触头系统(也称“切换芯”)是分接开关的关键部件，被放置在一个密封油筒里，在电流不中断的情况下进行切换。开关油的质量不仅影响开关的寿命，而且直接影响了开关和变压器的安全。一旦开关油含水过多，将会导致触头难以灭弧，油流过大，开关瓦斯保护装置误动等意外，严重的甚至会造成切换芯烧损等重大事故。因此，有效监控开关油中水的含量并控制其含量在合理范围内(低于30ppm)对维护开关正常运作起着至关重要的作用。目前国内外对开关油中水的含量测定普遍只能做到离线监测，通过常规方法对开关油进行定时抽样，采用化学色谱分析，或者高压击穿(低于45kV)等手段来间接测量其中水的含量。这些实验手段或误差较大或效率低下，其共同点是过程均相当复杂，设备也很昂贵，只能定时定量抽检，样品容易受污染，往往不能实时反映水的含量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纳米金刚石颗粒的湿度传感器的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备的湿度传感器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备亲水性的纳米金刚石颗粒；

(2)使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入金属电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口。

步骤(2)所述使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口，具体为：

将封装底盖放于压制装置的样品台上，在封装底盖的底板上覆盖一层步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶盖；压制装置的压力针头通过封装顶盖对纳米金刚石颗粒施加1～10吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底盖为设有一个底面及三个侧面的半封闭长方体，其中底面上镶嵌两个金属电极；当对纳米金刚石块体进行封装时，所述封装底盖与封装顶盖形成侧面开口的长方体；

保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，使用对AB胶封装底盖的侧面和封装顶盖进行粘合，并留出供纳米金刚石块体与外界连通的开口。

步骤(2)所述使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口，具体为：

将封装底板放于压制装置的样品台上，在封装底板上覆盖一层步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶板；压制装置的压力针头通过封装顶板对纳米金刚石颗粒施加1～10吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底板和封装顶板均为镶嵌有一个金属电极的电路板；

保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，对封装底板和封装顶板进行螺纹紧固连接，封装底板和封装顶板之间的间隙作为供纳米金刚石块体与外界连通的开口。

所述两个金属电极形成叉指的形式。

所述两个金属电极为两根平行的金属丝。

步骤(1)所述制备亲水性的纳米金刚石颗粒，具体为：

(1-1)清洗纳米金刚石颗粒；

(1-2)对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；

(1-3)进行表面化学改性：将步骤(1-2)得到的纳米金刚石颗粒置于浓度为20％～50％过氧化氢溶液中浸泡2～5小时，同时使用波长为254nm的紫外光照射；在纳米金刚石颗粒表面形成OH键。

步骤(1-2)所述对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键，具体为：

将步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒置于氢的等离子体中，氢化处理的温度为500℃～800℃，时间大于30min，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；所述氢的等离子体为微波等离子体，由氢气通过微波化学气相沉积装置产生，其中微波功率300～800W，温度500～800℃，氢气流速50～100ml/min，压力30～80mbar。

一种的湿度传感器，包括封装体、纳米金刚石块体和两个金属电极；所述纳米金刚石块体位于所述封装体的内部；所述金属电极镶嵌于纳米金刚石块体的表面；所述封装体设有供纳米金刚石块体与外界连通的开口，金属电极从所述开口引出。

所述两个金属电极位于纳米金刚石块体的同一表面，形成叉指的形式。

所述两个金属电极分别位于纳米金刚石块体的两个相对的表面。

本发明的湿度传感器的工作原理如下：经过压制成型并固封处理后的金刚石纳米颗粒组成了纳米网格结构，其间可储存大量吸附的水分，不仅水分子和水分子之间存在强的氢键(HO...H)，且水分子和表面充满OH功能键的纳米金刚石颗粒之间也存在强的氢键(H...OH)，这些水分像胶水一样把颗粒粘结起来，纳米金刚石颗粒与水分子一起构成牢固的团聚体。又由于金刚石材料特殊的能带结构，即其价带能量(-4.5eV)与水的电化学氧化还原对的能量相当接近(-3.8eV～-5.7eV)，因而金刚石和水之间可以通过电化学氧化还原反应交换电子，从而完成对金刚石的掺杂和对水的离子化过程。电子和水中的离子(H³⁺)通过氢键跃迁动作可快速传导，因而，金刚石和水分子组成的团聚体具有良好的导电性。水分子通过封装体的开口与外部环境交换，维持整个团聚体和周边环境的水分子的热平衡。当外部环境湿度降低即水分含量降低后，团聚体中的水分子因渗透作用进入环境中，从而降低了团聚体的导电能力，即团聚体的电阻升高；反之，当外部环境湿度升高即水分含量增加后，环境中的水分子因渗透作用进入团聚体中，从而提高了团聚体的导电能力，即团聚体的电阻降低，通过检测团聚体的电阻可间接的检测环境的湿度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明的湿度传感器在压制时通过保持压力对表面改性的纳米金刚石块体进行封装的方式，使块体不需经烧结工序即可应用于测量湿度，保留了更多的气孔，使纳米金刚石颗粒与水分接触的表面积增大，从而使湿度传感器获得更高的灵敏度；同时，由于省去烧结工序，减少了生产设备的成本及烧结时耗费的电能。

2、本发明的湿度传感器基于纳米金刚石颗粒，保留了金刚石本身的优异稳定，能够应用于化学环境恶劣的情况下的湿度测量。

3、本发明的湿度传感器适用温度范围广，不仅可用于常温下湿度的监测，还适用于低温下湿度的监测。

4、本发明的湿度传感器吸水过程和掺杂过程同步进行，反应速度快，可实现同步在线检测。

附图说明

图1为本发明湿度传感器的制备方法的流程图。

图2为本发明纳米金刚石颗粒表面氢化处理过程的化学反应示意图。

图3本发明实施例1制备的纳米金刚石颗粒表面氢化处理前后的傅里叶红外图谱。

图4为对本发明纳米金刚石颗粒进行表面化学改性时的化学反应示意图。

图5为实施例1制备的纳米金刚石颗粒表面化学改性前后的傅里叶红外图谱。

图6为实施例1制备的表面改性的纳米金刚石颗粒的扫描电镜图。

图7为实施例1的封装底盖上的金属电极的示意图。

图8为用于制备本发明湿度传感器的压制装置的示意图。

图9为压制装置的样品压制封装台处于组装状态的示意图。

图10为样品压制封装平台的爆炸示意图。

图11为实施例1制备的湿度传感器的在外界环境的水分含量不同时的电阻变化图。

图12为实施例1制备的湿度传感器的在外界环境的水分含量不同时的傅里叶红外图谱。

图13为水分含量变化对实施例1制备的湿度传感器的电阻变化率的影响图。

图14为实施例1制备的湿度传感器在不同浓度水分环境中和空气中的响应时间变化图。

图15为实施例1制备的湿度传感器的在浓度不同的水分环境中的灵敏度变化图。

图16为实施例1制备的湿度传感器在低温环境下的电阻-温度关系图，其中其中-■-表示10ppm水分浓度，-●-表示3ppm水分浓度。

图17为实施例1制备的湿度传感器在测试开关油的应用中的开关油中水含量与湿度传感器的电阻关系图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备亲水性的纳米金刚石颗粒，具体为：

(1-1)清洗纳米金刚石颗粒，包括以下步骤：

(1-1-1)取平均粒度为5nm的纳米金刚石颗粒1克，去除金属杂质和去除石墨杂质；

其中去除金属杂质具体包括以下步骤：

将纳米金刚石颗粒置于盐酸和硝酸混合液中，在100℃下加热1小时，去除纳米金刚石中的金属杂质；其中盐酸和硝酸混合液由浓度为37％的盐酸和浓度为68％的硝酸以3∶1的体积比例组成。

其中去除石墨杂质具体包括以下步骤：

将纳米金刚石颗粒置于硫酸和硝酸混合液中，在150℃下加热3小时，去除纳米金刚石中的石墨杂质；其中硫酸和硝酸混合液由浓度为98％的硫酸和浓度为68％的硝酸以4∶1的体积比例组成。

(1-1-2)使用蒸馏水清洗3遍；

(1-1-3)干燥样品：在氮气氛围中，以100℃恒温干燥。

(1-2)对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒置于氢的等离子体进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；氢化处理的温度为500℃，时间为35min；其化学反应如图2所示，纳米金刚石颗粒表面吸附的氧与氢离子反应生成H₂O，氢离子与纳米金刚石表面的C形成C-H键。

图3为纳米金刚石颗粒表面氢化处理前后的傅里叶红外图谱：(1)表面氢化处理前；(2)表面氢化处理后；其中C-H键的振动模式可以分解为四个峰，波数为2941和2871的峰对应(100)面的两种C-H键拉伸振动模式，波数为2845的峰对应(110)面的C-H键拉伸振动，波数为2835的峰对应(111)面的C-H键拉伸振动。可见经过氢化处理后纳米颗粒的表面化学键与处理前明显不同。

氢的等离子体由氢气通过微波化学气相沉积装置产生，其中微波功率300W，温度500℃，氢气流速50ml/min，压力30mbar。

(1-3)进行表面化学改性：将步骤(1-2)得到的纳米金刚石颗粒置于浓度为20％过氧化氢溶液中浸泡2小时，同时使用波长为254nm紫外光(UV)照射；在纳米金刚石颗粒表面形成OH键。

图4为纳米金刚石颗粒表面作表面化学改性的化学反应示意图。如图所示，在紫外光的照射下，金刚石表面C-H与H₂O₂反应，生成C-OH。

图5为纳米金刚石颗粒表面化学改性前后的傅里叶红外图：(1)表面化学改性前；(2)表面化学改性后。波数为3537的峰是OH功能键固定在碳面(金刚石面)上的拉伸振动模式；可见经过表面化学改性后，纳米颗粒的表面化学键与处理前明显不同，即经过表面化学改性处理，纳米金刚石颗粒表面有OH功能键。

图6为本实施例制备的表面改性的纳米金刚石颗粒的扫描电镜图。纳米金刚石颗粒的尺寸为5纳米左右。这些金刚石颗粒在放入电镜观察前经过预压处理，虽然压力释放后稍有弛豫，但是可以看出来，其表面相当平整，颗粒较精密结合在一起。

(2)使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入金属电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口。

本实施例所用的压制装置如图8所示，包括压力机1及样品压制封装台2，所述样品压制封装平台2固定于压力机1上。

如图9～10所示，样品压制封装台包括一个呈长方体的样品台21、三个可拆卸夹板22、四个样品压板23、一个活动样品台24和4个水平设置的微调螺杆26，其中三个微调螺杆与三个可拆卸夹板22螺纹连接，另一个微调螺杆与压力机螺纹连接；所述三个可拆卸夹板22分别通过3个沉头螺钉25固定于所述样品台21的三个侧表面；所述样品压板23设于可拆卸夹板22的顶部；所述活动样品台24置于所述样品台21的上表面，所述微调螺杆26的末端与活动样品台24的侧面相接触，4个调节微调螺杆26可使活动样品台24相对于样品台21在四个方向(前、后、左、右)上滑动。

如图8所示，压力机1包括底座11、压力支架12、压力表13、压力力臂14、压力杆15、压力手柄16及螺杆17，所述压力支架12由螺钉固定在底座11上；所述螺杆17的一端固定在底座11上，另一端由下至上依次与压力力臂14的一端、压力手柄16螺纹连接；所述压力力臂14的另一端与压力支架12通过轴121连接；所述压力杆15垂直穿过压力支架12上的通孔，上端与压力表13、压力力臂14相接触，底部在使用时与样品相接触。

固封处理过程具体为：

(2-1)将封装底盖放于压制装置的活动样品台上，在封装底盖的底板上覆盖一层步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，按需要转动微调螺杆26，活动样品台平移，使样品对准压力杆15的压力针头；在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶盖；压力杆15的压力针头通过封装顶盖对纳米金刚石颗粒施加4吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底盖为设有一个底面及三个侧面的半封闭长方体，其中底面上镶嵌两个呈叉指状态的金属电极(如图7所示)；当对纳米金刚石块体进行封装时，所述封装底盖与封装顶盖形成侧面开口的长方体，金属电极从开口引出。

(2-2)保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，松开三个沉头螺钉25、三个微调螺杆26，拆卸三个可拆卸夹板22；使用环氧树脂AB胶对封装底盖的侧面和封装顶盖进行固定连接，并留出约1cm的开口供纳米金刚石块体与外界连通，得到湿度传感器。

下面对本实施例制备的湿度传感器进行测试：

(1)将本实施例制备的湿度传感器(本实施例的封装盖体采用石英玻璃材料，以满足测试要求)放置在傅里叶红外光谱仪(PerkinElmer 2000)的透过性样品腔内，接通金属电极与外部电路，即可实现同步测试纳米金刚石颗粒的电阻和其红外吸收谱，同时利用光谱仪本身的干燥系统，控制环境的湿度。其中红外光谱仪设置使用液氮冷却的MCT探测器，干燥系统采用

PURGE-GAS GENERATOR，干燥气体最大流速为28Nl/min，因而可通过控制通入样品腔的干燥气体的流速来控制该样品腔的湿度。为了避免样品腔内水蒸气对红外背景信号的影响，整个实验控制在样品腔湿度较低的时候进行。在样品腔湿度约为0.29ppm的时候采集红外峰，并以此作为背景信号，此时样品的电阻为1.07×109Ω。随着样品腔持续被干燥，湿度持续降低，样品的电阻持续线性增加。在图11所示的1～8点分别采集红外信号，并对比背景信号，从而得到1～8点分别对应的红外吸收峰如图12，波数为3576～2868cm^-1范围是水分子伸展振动(含对称模式和非对称模式)，由于水分子之间、水分子和经过化学改性的纳米金刚石颗粒表面之间的氢键的作用，该吸收峰较宽。可见随着干燥系统的持续作用，从1点到8点相对于背景信号0对应的水的伸展振动峰持续降低，也就是说，纳米金刚石颗粒组成的块状样品内包含的水越来越少，由此可见，该样品内吸附的水可以与外界环境(即样品腔内的水)进行交换。整个过程中只有水的伸展振动峰发生变化，也就是说，样品电阻的增加仅仅因为水分的降低而引起，因此该样品对水分具有敏感性和选择性。并且，在如此干燥和微弱水分的环境下，样品依旧给出电学敏感信号，由此可见本发明材料对水分极其敏感。运用光吸收的比尔定律(Beer law)可通过分析红外吸收峰的面积变化来校正并计算水分含量。其计算结果如图13所示，可见随着水分持续降低，相对红外吸收峰的积分面积持续降低，即计算得出的水分含量持续降低，对应的本实施例的湿度传感器的电阻近乎线性地持续升高。

(2)将本实施例制备的湿度传感器固定在带有液氮冷却装置的真空腔体中。当密封整个真空腔体时，可通过真空泵持续驱走真空腔内的水蒸气实现干燥的目的；当打开真空腔并关闭真空泵时，样品敞开于外部充满潮湿水蒸气的空气环境中。图14中的曲线为湿度传感器在不同浓度的水分环境下的电阻，湿度传感器暴露在空气中时的电阻值为约为2.6×107Ω；湿度传感器暴露在真空即干燥环境中，在水分分别为5ppm，4ppm，3ppm，2ppm和1ppm的环境下，其电阻变化分别是1.6×108Ω，2.5×108Ω，2.9×108Ω，5.2×108Ω，7.4×108Ω。从图14也可见，本实施例制备的湿度传感器重复处于不同浓度的水分环境中响应后，当重新回到空气环境中时，能较快恢复其正常电阻值，表现了良好的稳定性。定义灵敏度为空气中的电阻值除以测试的电阻值的比值。则湿度传感器在5ppm，4ppm，3ppm，2ppm和1ppm水分的环境下灵敏度分别为0.16，0.11，0.09，0.05，0.03，如图15所示，水分浓度与灵敏度之间存在较好的线性关系，由此可以利用灵敏度的变化，测定未知气氛的湿度。为了进一步表征湿度传感器的电学性能，测试样品分别在3ppm和10ppm水分环境下在不同温度中的电阻，其电阻-温度关系如图16所示。可见本发明材料可以应用于低温环境中，通过另外一个热电偶传感器校准温度，即可用于不同温度下的湿度测试。

下面是本实施例制备的湿度传感器应用于在线监控开关油中的水分的测试实例：

将本实施例制备的湿度传感器置于10升开关油中，并在传感器外部使用滤芯纸隔离开关油中的碳颗粒。用滴管在开关油中加入纯水10微升、50微升、100微升、150微升、200微升、250微升、300微升、500微升，测试得到的电阻值如图17所示。由图可知，本发明的湿度传感器在开关油中的电阻与水分的关系依然保持线性。

实施例2

本实施例的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备亲水性的纳米金刚石颗粒，具体为：

(1-1)清洗纳米金刚石颗粒，包括以下步骤：

(1-1-1)取平均粒度为150nm的纳米金刚石颗粒1克，去除金属杂质和去除石墨杂质；

其中去除金属杂质具体包括以下步骤：

将纳米金刚石颗粒置于盐酸和硝酸混合液中，在150℃下加热3小时，去除纳米金刚石中的金属杂质；其中盐酸和硝酸混合液由浓度为37％的盐酸和浓度为68％的硝酸以1∶1的体积比例组成。

其中去除石墨杂质具体包括以下步骤：

将纳米金刚石颗粒置于硫酸和硝酸混合液中，在300℃下加热24小时，去除纳米金刚石中的石墨杂质；其中硫酸和硝酸混合液由浓度为98％的硫酸和浓度为68％的硝酸以4∶1的体积比例组成。

(1-1-2)使用蒸馏水清洗5遍；

(1-1-3)干燥样品：在氮气氛围中，以100℃恒温干燥。

(1-2)对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒置于氢的等离子体进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；氢化处理的温度为800℃，时间为3h。

氢的等离子体由氢气通过微波化学气相沉积装置产生，其中微波功率800W，温度800℃，氢气流速100ml/min，压力80mbar。

(1-3)进行表面化学改性：将步骤(1-2)得到的纳米金刚石颗粒置于浓度为50％过氧化氢溶液中浸泡5小时，同时使用波长为254nm紫外光(UV)照射；在纳米金刚石颗粒表面形成OH键。

(2)使用压制装置(与实施例1同)将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口。

(2-1)将封装底板放于压制装置的活动样品台上，在封装底板上覆盖一步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，按需要转动微调螺杆，活动样品台平移，使样品对准压力杆的压力针头；在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶盖；压力杆的压力针头通过封装顶板对纳米金刚石颗粒施加1吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底板和封装顶板均为镶嵌有一个金属电极的电路板。

(2-2)保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，松开三个沉头螺钉、三个微调螺杆，拆卸三个可拆卸夹板；使用螺钉或者螺栓对封装底板和封装顶板进行固定连接，两个电路板之间的间隙作为开口供纳米金刚石块体与外界连通，得到湿度传感器。

实施例3

本实施例的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备亲水性的纳米金刚石颗粒，具体为：

(1-1)清洗纳米金刚石颗粒，包括以下步骤：

(1-1-1)取平均粒度为50nm的纳米金刚石颗粒1克，去除金属杂质和去除石墨杂质；

其中去除金属杂质具体包括以下步骤：

将纳米金刚石颗粒置于盐酸和硝酸混合液中，在120℃下加热2小时，去除纳米金刚石中的金属杂质；其中盐酸和硝酸混合液由浓度为37％的盐酸和浓度为68％的硝酸以2∶1的体积比例组成。

其中去除石墨杂质具体包括以下步骤：

将纳米金刚石颗粒置于硫酸和硝酸混合液中，在225℃下加热13小时，去除纳米金刚石中的石墨杂质；其中硫酸和硝酸混合液由浓度为98％的硫酸和浓度为68％的硝酸以3∶1的体积比例组成。

(1-1-2)使用蒸馏水清洗10遍。

(1-1-3)干燥样品：在氮气氛围中，以100℃恒温干燥。

(1-2)对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒置于氢的等离子体进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；氢化处理的温度为650℃，时间为5h。

氢的等离子体由氢气通过微波化学气相沉积装置产生，其中微波功率800W，温度600℃，氢气流速75ml/min，压力55mbar。

(1-3)进行表面化学改性：将步骤(1-2)得到的纳米金刚石颗粒置于浓度为35％过氧化氢溶液中浸泡3.5小时，同时使用波长为254nm紫外光(UV)照射；在纳米金刚石颗粒表面形成OH键。

(2)使用压制装置(与实施例1同)将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入金属电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口。

固封处理过程具体为：

(2-1)将封装底盖放于压制装置的活动样品台上，在封装底盖的底板上覆盖一层步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，按需要转动微调螺杆，活动样品台平移，使样品对准压力杆的压力针头；在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶盖；压力杆的压力针头通过封装顶盖对纳米金刚石颗粒层施加10吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底盖为设有一个底面及三个侧面的半封闭长方体，其中底面上镶嵌两个呈叉指状态的金属电极；当对纳米金刚石块体进行封装时，所述封装底盖与封装顶盖形成侧面开口的长方体，金属电极从开口引出。

(2-2)保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，松开三个沉头螺钉、三个微调螺杆，拆卸三个可拆卸夹板；使用环氧树脂AB胶对封装底盖的侧面和封装顶盖进行固定连接，并留出约1cm的开口供纳米金刚石块体与外界连通，得到湿度传感器。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备亲水性的纳米金刚石颗粒；

(2)使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入金属电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口，具体为：

将封装底盖放于压制装置的样品台上，在封装底盖的底板上覆盖一层步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶盖；压制装置的压力针头通过封装顶盖对纳米金刚石颗粒施加1～10吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底盖为设有一个底面及三个侧面的半封闭长方体，其中底面上镶嵌两个金属电极；当对纳米金刚石块体进行封装时，所述封装底盖与封装顶盖形成侧面开口的长方体；

保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，使用对AB胶封装底盖的侧面和封装顶盖进行粘合，并留出供纳米金刚石块体与外界连通的开口。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述使用压制装置将纳米金刚石颗粒压制成块体，并在压制的同时嵌入电极；在压制装置释放压力之前对嵌有金属电极的纳米金刚石块体进行固封处理，并预留供纳米金刚石块体与外界相通的开口，具体为：

将封装底板放于压制装置的样品台上，在封装底板上覆盖一层步骤(1)制备的亲水性的纳米金刚石颗粒，在纳米金刚石颗粒的表面放置封装顶板；压制装置的压力针头通过封装顶板对纳米金刚石颗粒施加1～10吨/平方厘米的压力，将纳米金刚石颗粒压制成块体；所述封装底板和封装顶板均为镶嵌有一个金属电极的电路板；

保持压制装置的压力针头对纳米金刚石块体持续施压，对封装底板和封装顶板进行螺纹紧固连接，封装底板和封装顶板之间的间隙作为供纳米金刚石块体与外界连通的开口。

4.根据权利要求2所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述两个金属电极形成叉指的形式。

5.根据权利要求2所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述两个金属电极为两根平行的金属丝。

6.根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述制备亲水性的纳米金刚石颗粒，具体为：

(1-1)清洗纳米金刚石颗粒；

(1-2)对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；

(1-3)进行表面化学改性：将步骤(1-2)得到的纳米金刚石颗粒置于浓度为20％～50％过氧化氢溶液中浸泡2～5小时，同时使用波长为254nm的紫外光照射；在纳米金刚石颗粒表面形成OH键。

7.根据权利要求6所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1-2)所述对步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒进行表面氢化处理，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键，具体为：

将步骤(1-1)处理后的纳米金刚石颗粒置于氢的等离子体中，氢化处理的温度为500℃～800℃，时间大于30min，使纳米金刚石颗粒表面形成C-H键；所述氢的等离子体为微波等离子体，由氢气通过微波化学气相沉积装置产生，其中微波功率300～800W，温度500～800℃，氢气流速50～100ml/min，压力30～80mbar。

8.一种的湿度传感器，其特征在于，包括封装体、纳米金刚石块体和两个金属电极；所述纳米金刚石块体位于所述封装体的内部；所述金属电极镶嵌于纳米金刚石块体的表面；所述封装体设有供纳米金刚石块体与外界连通的开口，金属电极从所述开口引出。

9.根据权利要求8所述的湿度传感器，其特征在于，所述两个金属电极位于纳米金刚石块体的同一表面，形成叉指的形式。

10.根据权利要求9所述的湿度传感器，其特征在于，所述两个金属电极分别位于纳米金刚石块体的两个相对的表面。

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