CN103439368B

CN103439368B - 一种基于磷酸盐分子筛的湿度传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103439368B
Application number: CN201310421258.4A
Authority: CN
Inventors: 阮圣平; 张敏; 张宇鹏; 周敬然; 郭文滨; 温善鹏; 张莹; 沈亮; 张歆东; 董玮; 刘彩霞
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-09-16
Also published as: CN103439368A

Abstract

一种基于磷酸盐分子筛的湿度传感器及其制备方法，属于湿度传感器技术领域。采用AlPO₄-5分子筛作为敏感层，不但应用了其良好的稳定性，还可以有效地利用AlPO₄-5分子筛具有较高比表面积的优势。同时本发明采用的工艺简单、制得的器件体积小、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。本发明所述的AlPO₄-5分子筛的快速响应恢复湿度传感器，从下至上依次由陶瓷衬底、在陶瓷衬底上采用丝网印刷技术制备的Au金属叉指电极、在叉指电极上采用涂覆技术制备的AlPO₄-5敏感层组成；其中AlPO₄-5敏感层的厚度为2～4μm，粒径为6～10μm，金属叉指电极的宽度和间距均为0.15～0.20mm，厚度为100～150nm。

Description

一种基于磷酸盐分子筛的湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于湿度传感器技术领域，具体涉及一种以AlPO₄-5分子筛为湿度敏感膜的快速响应恢复湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器在人们生活、农业、工业生产等许多方面有着广泛的应用。现代医疗气象研究表明，对人体比较适宜的相对湿度为：夏季相对湿度控制在40-50%RH比较合适，冬季相对湿度控制在60-70%RH比较舒服。由此可见，人类生存和社会活动与湿度密切相关。在工业生产中，湿度的控制直接关系到产品的质量；此外，粮食的存储、高空气象探测、温室种植等也都离不开湿度检测。因此湿度传感器成为近年来的研究热点之一。

湿度传感器是利用湿度敏感材料直接吸附大气中的水分子，使得材料的电学性质等发生变化，经过检测连接外围电路敏感元件的输出信号变化而测量湿度变化。

用于湿度传感的材料有很多，目前主要集中在半导体、陶瓷和高分子等材料中。然而，湿度传感器的响应恢复特性一直有待提高。磷酸盐分子筛是分子筛中的一个重要分支，由于其骨架元素的丰富性使其具有独特的性能，它在催化、光化学、电磁学等领域具有广泛的应用前景。磷酸盐分子筛由于其骨架结构，可提供局部静电场、较大的表面积和体积比，对于水，CO等气体有着良好的敏感特性。因此，磷酸盐分子筛可应用在湿度传感方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磷酸盐分子筛的湿度传感器及其制备方法。

采用AlPO₄-5分子筛作为敏感层，不但应用了其良好的稳定性，还可以有效地利用AlPO₄-5分子筛具有较高比表面积的优势。同时本发明采用的工艺简单、制得的器件体积小、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。

本发明所述的AlPO₄-5分子筛的快速响应恢复湿度传感器，从下至上依次由陶瓷衬底、在陶瓷衬底上采用丝网印刷技术制备的Au金属叉指电极、在叉指电极上采用涂覆技术制备的AlPO₄-5敏感层组成；其中AlPO₄-5敏感层的厚度为2～4μm，粒径为6～10μm，金属叉指电极的宽度和间距均为0.15～0.20mm，厚度为100～150nm。

本发明所述的基于AlPO₄-5分子筛的快速响应恢复湿度传感器的制备步骤如下：

1、衬底的处理

首先分别用丙酮、乙醇棉球擦拭陶瓷衬底至干净，再将衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，最后在100～120℃环境下干燥；

2、金属叉指电极的制备

采用丝网印刷技术制备Au金属叉指电极，按照油墨[佳华JX07500487]：Au粉：稀释剂的质量比为1：1～2：2～4的比例，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30°～45°的倾斜角度和5～10牛压力条件下刮动浆糊，印制电极并烘干，紫外光固化后完成金属叉指电极的制备，金属叉指电极的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm。

3、纳米AlPO₄-5分子筛的制备

采用水热法制备AlPO₄-5分子筛：室温条件下，首先将质量分数为85%的磷酸与去离子水混合，再加入氢氧化铝，搅拌1～3小时后，再向混合物中加入TPA（三正丙胺），并继续搅拌1～3小时，混合物中各组份的摩尔比为1.0Al₂O₃：1.0～1.5TPA：0.8～1.6P₂O₅：40～60H₂O；然后将白色溶液转移到反应釜中，并在130～180℃下反应15～30h，冷却至室温后将白色生成物用去离子水离心清洗，最后在室温下干燥，得到的白色产物即为AlPO₄-5分子筛。

4、湿敏器件的制备

将干燥后的AlPO₄-5分子筛放入研钵中，研磨20～30分；然后向研钵中滴入去离子水（分子筛与水的质量比为5：1～3），再继续研磨20～30分，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的浆料，涂覆在叉指电极上，然后将其在60～80℃烘干，AlPO₄-5分子筛敏感层的厚度为2～4μm；最后在相对湿度为100%RH的环境中，将制备的器件在0.4～1.2V电压、40～300Hz的交流电下老化12～24小时，从而得到本发明所述的一种以AlPO₄-5为敏感层、以Au为金属叉指电极的湿度传感器。

本发明制备的AlPO₄-5分子筛湿度传感器具有制备方法简单，成本低廉，优秀的快速响应恢复特性、有望大规模生产的特点，对湿度具有良好的检测性能。

附图说明

图1：AlPO₄-5分子筛的SEM形貌图，（b）图为（a）图的局部放大，其中（a）图的放大倍数为4000倍，（b）图的放大倍数为8000倍；

图2：本发明所制备器件结构示意图；

图3：本发明的器件在0.5V、100Hz交流电下，器件的阻抗-相对湿度特性曲线（敏感膜厚2μm）；

图4：本发明的器件在0.5V、100Hz交流电下，器件的阻抗-相对湿度特性曲线（敏感膜厚3μm）；

图5：本发明的器件在0.5V、100Hz交流电下，器件的阻抗-相对湿度特性曲线（敏感膜厚4μm）；

图6：本发明的器件在0.5V、100Hz交流电下，器件的湿滞特性曲线（敏感膜厚3μm）；

图7：本发明的器件在0.5V、100Hz交流电下，器件在11～95%RH的响应恢复曲线（敏感膜厚3μm）；

如图1所示，（a）图中看出AlPO₄-5分子筛晶体形成多个球状聚集体，（b）图看出纳米AlPO₄-5分子筛的粒径尺寸为6～10μm，且每个球是由众多纳米棒或纳米片组成。

如图2所示，器件由陶瓷材料衬底1、Au金属叉指电极2、AlPO₄-5分子筛材料3组成。

如图3所示，当器件在0.5V、100Hz交流电下，敏感膜厚2μm，器件的阻抗值随湿度变化曲线较大，跨越约3个数量级，曲线在湿度范围具有一定的线性关系。

如图4所示，当器件在0.5V、100Hz交流电下，敏感膜厚3μm，器件的阻抗值随湿度变化曲线较大，跨越约3个数量级，曲线在湿度范围呈现良好的线性关系。

如图5所示，当器件在0.5V、100Hz交流电下，敏感膜厚4μm，器件的阻抗值随湿度变化曲线较大，跨越约3个数量级，曲线在湿度范围具有一定的线性关系。

如图6所示，器件的湿滞小于3%RH。

如图7所示，器件从11%RH到95%RH的响应时间是2～3s，器件从95%RH到11%RH的恢复时间是2～3s。表现出了优良的响应恢复特性，对湿度有良好的检测。

具体实施方式

实施例1：

首先分别用丙酮、乙醇棉球擦衬底至干净，再将衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5分钟，最后放到100℃中干燥备用；

采用丝网印刷技术制备Au金属叉指电极，按照油墨[佳华JX07500487]：Au粉：稀释剂的质量比为1：1.5：3的比例，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30°的倾斜角度和5牛压力条件下刮动浆糊，印制电极并烘干，紫外光固化，完成金属叉指电极的制备。

采用水热法制备AlPO₄-5分子筛：室温条件下，首先，将4.50ml的质量分数为85%磷酸与22.42ml的去离子水混合，再加入5.83g的氢氧化铝.搅拌1小时后,再向混合物中加入6.3ml的TPA，并继续搅拌1小时.最后混合物组成的摩尔比为1.0TPA：1.0Al₂O₃：1P₂O₅：40H₂O.然后白色溶液被转移到23ml的反应釜中,并在150℃下反应20h，冷却至室温,得到白色生成物，用去离子水离心清洗,最后在室温下干燥，得到白色产物即为AlPO₄-5分子筛，待用。

将制备好的敏感材料放入研钵中，进行充分的研磨20分钟。然后向研钵中滴入去离子水（样品与水的质量比为5：1），再继续研磨20分钟，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的敏感膜浆料，涂覆在叉指电极上，涂覆次数为1次，然后在60℃烘干，即得到敏感膜的厚度为2μm的元件。将以上制得的元件置于相对湿度为100%RH的湿度源中，在0.5V电压、100Hz的交流电下老化24小时，得到以AlPO₄-5分子筛为敏感材料、以Au为金属叉指电极的湿度传感器。

制备好器件之后，对其湿敏特性进行了测试，如图3所示，在100Hz、0.5V交流电下，器件的阻抗值随湿度变化曲线较大，跨越3个数量级。在湿度范围为11%RH～95%RH时，曲线有一定线性关系。

实施例2：

Au金属叉指电极的制备过程同实施例1。

采用水热法制备AlPO₄-5分子筛：实验过程同实施例1。

将制备好的敏感材料放入研钵中，进行充分的研磨20分钟。然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨20分钟，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的敏感膜浆料，涂覆在叉指电极上，涂覆次数为2次，然后在60℃烘干，即得到敏感膜的厚度为3μm的元件。将以上制得的元件置于相对湿度为100%RH的湿度源中，在0.5V电压、100Hz的交流电下老化24小时，得到以AlPO₄-5分子筛为敏感材料、以Au为金属叉指电极的湿度传感器。

制备好器件之后，对其湿敏特性进行了测试，如图4所示，在100Hz、0.5V交流电下，器件的阻抗值随湿度变化曲线较大，跨越3个数量级。在湿度范围为11%RH～95%RH时，曲线在湿度范围呈现良好的线性关系。由图6所示，器件的湿滞特性小于3%RH。由图7所示，器件从11%RH到95%RH的响应时间是2～3s，器件从95%RH到11%RH的恢复时间是2～3s，对湿度有良好的检测。实施例3：

Au金属叉指电极的制备过程同实施例1。

采用水热法制备AlPO₄-5分子筛：实验过程同实施例1。

将制备好的敏感材料放入研钵中，进行充分的研磨20分钟。然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨20分钟，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的敏感膜浆料，涂覆在衬底上，涂覆次数为3次，然后在60℃烘干，即得到敏感膜厚度为4μm的元件。将以上制得的元件置于相对湿度为100%RH的湿度源中，在0.5V电压、100Hz的交流电下老化24小时，得到以AlPO₄-5分子筛为敏感材料、以Au为金属叉指电极的湿度传感器。

制备好器件之后，对其湿敏特性进行了测试。由图5所示，在100Hz、0.5V交流电下，器件的阻抗值随湿度变化曲线较大，跨越3个数量级。在湿度范围为11%RH～95%RH时，曲线在低湿呈现一定的线性关系。

Claims

1.一种基于AlPO₄-5分子筛的湿度传感器，其特征在于：从下至上依次由陶瓷材料衬底(1)、Au金属叉指电极(2)和AlPO₄-5分子筛敏感层(3)组成，且由如下步骤制备得到，

(1)、衬底的处理

(2)、金属叉指电极的制备

采用丝网印刷技术制备Au金属叉指电极，按照油墨：Au粉：稀释剂的质量比为1：1～2：2～4的比例，将Au粉搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30°～45°的倾斜角度和5～10牛压力条件下刮动浆糊，印制电极并烘干，紫外光固化后完成金属叉指电极的制备；

(3)、水热合成AlPO₄-5分子筛

室温条件下，首先将质量分数为85％的磷酸与去离子水混合，再加入氢氧化铝，搅拌1～3小时后，再向混合物中加入三正丙胺，并继续搅拌1～3小时，混合物中各组份的摩尔比为1.0Al₂O₃：1.0～1.5三正丙胺：0.8～1.6P₂O₅：40～60H₂O；然后将白色溶液转移到反应釜中，并在130～180℃下反应15～30h，冷却至室温后将白色生成物用去离子水离心清洗，最后在室温下干燥，得到的白色产物即为AlPO₄-5分子筛；

(4)、AlPO₄-5分子筛敏感层的制备

将干燥后的AlPO₄-5分子筛放入研钵中，研磨20～30分；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨20～30分，得到黏稠状的浆料；用药匙沾取少量的浆料，涂覆在叉指电极上，然后将其在60～80℃烘干；最后在相对湿度为100％RH的环境中，将制备的器件在0.4～1.2V电压、40～300Hz的交流电下老化12～24小时，从而得到一种基于AlPO₄-5分子筛的湿度传感器。

2.如权利要求1所述的一种基于AlPO₄-5分子筛的湿度传感器，其特征在于：AlPO₄-5分子筛的粒径为6～10μm，AlPO₄-5分子筛敏感层(3)的厚度为2～4μm，金属叉指电极(2)的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm，厚度为100nm～150nm。