CN105352894B

CN105352894B - 一种快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法

Info

Publication number: CN105352894B
Application number: CN201510716680.1A
Authority: CN
Inventors: 徐洪波; 李垚; 赵九蓬; 杨昊巍
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2018-06-22
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: CN105352894A

Abstract

一种快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法，本发明涉及一种湿度传感器的制备方法。本发明的目的是为了解决湿度传感器成本昂贵、平行稳定性差、传感器器件力学性能差以及操作繁琐的问题。本发明的快速高灵敏的光子晶体湿度传感器是将胶状的组装溶液固定在基底材料上。本发明的湿度传感器的制备方法按以下方法制备：一、基底材料的处理；二、制备组装溶液；三、快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备。本发明制得的湿度传感器解决了传统湿度传感器成本昂贵的问题，同时本发明制得的湿度传感器具有极高的平行稳定性和很高的力学性能。本发明的湿度传感器用于灵敏度高的传感器领域。

Description

一种快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种湿度传感器的制备方法。

背景技术：

湿度传感器是一类重要的传感器，已经广泛应用于气象、农林、化纤、纺织、食品、家用电器等许多领域，其国内外研究十分活跃。但是目前由于难以获得理想性能的感湿材料以及稳定性等问题导致湿度传感器的研制、生产和应用仍较为落后，因此，湿度传感器的精确度和长期稳定性是直接影响到湿度传感器的使用和大批生产的关键。探索新的高精度、高可靠性、长寿命的湿敏材料，研究各类湿度传感器的感湿机理，改善和提高其稳定性、可靠性，已成为各国科学家关注的重点。

目前高分子电容式湿度传感器具有测湿范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好、使用方便等优点，已得到了广泛的应用，并逐渐成为这个领域国内外研究的重点。我国开展高分子电容式湿度传感器研究已有多年，针对产品可靠性差、稳定性差、一致性差等问题，对其进行了可靠性研究和各种环境试验，制定了失效判据，给出了失效模式。1987年,Yablonovitch和John教授提出了光子晶体的概念，获得科研工作者的广泛关注。光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列的一种人造的晶体材料，由于存在周期性，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，带与带之间的能量差叫做光子禁带频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的。通过理论以及实验表明光子晶体的反射峰符合不两个衍射定律：λ＝2ndsinθ由此可见通过调节折射率可实现反射峰位置变化，从而实现样品颜色的调节。但目前产品的性能及可靠性的测试方法及手段存在以下几个问题：(1)湿度源昂贵，平衡时间长；(2)检测装置精确度不高；(3)手工测量，一次只能检测一个传感器，测试数量有限，不能为实现批量测试提供方便及良好的条件且测试结果因人而异。

发明内容：

本发明的目的是为了解决湿度传感器成本昂贵、平行稳定性差、传感器器件力学性能差以及操作繁琐的问题，提供了一种快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法。

本发明的快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法按以下步骤制备：

一、基底材料的处理：将基底材料放置于质量分数为25％～35％的过氧化氢和质量分数为96％～98％的浓硫酸的体积比为1：(2～3)的混合溶液中超声清洗，随后依次在丙酮溶液、无水乙醇溶液和超纯水溶液中超声10min～20min，然后在烘箱中烘干；去除基底表面的杂质，保证玻璃基底的亲水性和干净；

二、制备组装溶液：取微球材料分散在质量分数为98％～99％的乙醇中，配制成混合液；取响应的聚合物材料溶解在去离子水溶液中，配制成电镀液；将混合液与电镀液按体积比为1：(5～15)混合制得组装溶液；

三、快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备：将步骤一处理好的基底材料垂直放入容器内，然后向容器内注入步骤二制备的组装溶液，将容器放入培养箱中，温度设置30℃～60℃，控制培养箱的湿度为20％～80％，乙醇蒸汽的含量10％～40％，放置0.5h～10h，待溶剂挥发完全即可实现胶体粒子与响应聚合物的快速组装，制备出稳定快速高灵敏的湿度传感器。

图1是快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备的示意图。a步骤是将胶体粒子与响应聚合物制备成混合溶液。b步骤是利用自组装技术将响应聚合物与胶体粒子组装成复合的光子晶体，期望响应聚合物在两个胶体粒子的连接处。c步骤是在有水蒸气条件下(即湿度气氛中)响应聚合物吸水膨胀，将光子晶体的晶格间距拉大。d步骤是由于光子晶体的晶格间距变大，根据λ＝2ndsinθ可以看出其反射光谱红移。

本发明的原理：本发明原理是将响应聚合物例如：PVA与胶体粒子复合组装制备成复合的六方机密堆积结构。该结构具有很强的反射峰，其反射峰位符合该公示λ＝2ndsinθ。从这个公示中可以看出改变n和d都可以实现反射峰λ的移动。组装体系中由于响应聚合物的浓度较小，因此溶剂挥发将其组装在两个纳米粒子之间的粘结处。这样可以实现即使少量水蒸气也可通过PVA的体积膨胀将光子晶体晶格之间的间距d拉大，进而提高其响应速度以及灵敏度。

本发明相对于现有技术其优点在于：

1.首先由于本发明利用廉价的胶体粒子和响应聚合物PVA，因此解决了传统湿度传感器成本昂贵。其次由于组装获得结构具有高度的均匀性，其光谱各部分均匀一致，同时其PVA可以具有很好的弹性，可以保证多次测量后其结构不变，因此该传感器具有极高的平行稳定性，因此解决了传统湿度传感器平行稳定性差的问题。最后由于组装获得的胶体粒子与响应聚合物的复合光子晶体结构，使其具有很高的力学性能，检测过程中是利用光谱变化测量，因此解决了传统湿度传感器力学性能差以及操作繁琐等问题。

2.本发明实现湿度响应聚合物与光晶体复合，有效的增加响应聚合物的利用率，同时兼具增加光子晶体的稳定以及响应聚合物的利用率。由于响应聚合物在两个胶体球之间从而有效提高了光子晶体的稳定性即传感器件力学稳定性，同时由于聚合物在中间即使少量水蒸气也可引起光子晶体晶格间距的大范围变化，提高其响应速度以及灵敏度。且涉及思路简洁易实现，可以应用于胶体材料以及响应高分子，制作工艺简单实用，有良好的市场价值。

附图说明：

图1是本发明的湿度传感器制备过程的示意图。

图2是实施例1制备的湿度传感器的SEM。

图3是实施例2制备的湿度传感器在不同水蒸气条件下反射光谱的变化图。

图4是实施例3制备的传湿度感器的循环稳定性测试图。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的快速高灵敏的湿度传感器的制备方法，其特征在于：该快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法是按以下步骤进行的：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一所述的基底材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、多晶硅或非晶硅。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中所述的微球材料为聚甲基聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)或聚丙烯酸(PAA)以及他们之间共聚合的胶体粒子。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中微球材料的质量与质量分数为98％～99％的乙醇的体积比为1g：(15mL～25mL)。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中响应的聚合物材料为聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中响应的聚合物材料的质量与去离子水溶液的体积比为1g：(50mL～150mL)。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中将微球材料与乙醇的混合溶液与响应的聚合物材料与去离子水的电镀液按体积比为1：10混合制得组装溶液。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三中培养箱的温度为50℃。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三中在培养箱内放置2h。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例1：

取PS胶体粒子干粉5g分散在50ml的99％的无水乙醇中，配制成10％的PS胶体粒子的乙醇溶液；取响应聚合物PVA 0.1g溶解在10ml的去离子水溶液中，配制成1％的响应聚合物PVA与水溶液；将PS胶体粒子与乙醇的混合溶液与响应聚合物PVA与水的前驱液按体积比为1:5混合制得组装溶液；将玻璃基底放置于质量分数为98％硫酸质量分数为30％的过氧化氢按体积比7:3的溶液中超声清洗，随后依次在丙酮，乙醇，超纯水中超声10min，然后在烘箱中烘干。去除基底表面的杂质，保证玻璃基底的亲水和干净。加玻璃基底浸渍到配好的溶液中，将其移入培养箱中温度60度，时间0.5h，通过控制培养箱的气氛，控制培养箱的湿度为80％，乙醇蒸汽的含量20％，实现胶体粒子与响应聚合物的快速组装，制备出稳定快速高灵敏的湿度传感器。通过反射光谱，实现环境中水蒸气的检测。

图2是本实施例制备的湿度传感器的SEM照片，可以看出该结构是无机纳米粒子与有机聚合物的复合材料，说明该湿度传感器力学性能较好，证明了响应聚合物填充在胶体粒子连接处。

实施例2

取二氧化硅胶体粒子干粉5g分散在50ml的99％的无水乙醇中，配制成10％的SiO₂胶体粒子的乙醇溶液；取响应聚合物PVA 0.1g溶解在10ml的去离子水溶液中，配制成1％的响应聚合物PVA与水溶液；将SiO₂胶体粒子与乙醇的混合溶液与响应聚合物PVA与水的前驱液按体积比为1:10混合制得组装溶液；将玻璃基底放置于质量分数为98％硫酸质量分数为30％的过氧化氢按体积比7:3的溶液中超声清洗，随后依次在丙酮，乙醇，超纯水中超声15min，然后在烘箱中烘干。去除基底表面的杂质，保证玻璃基底的亲水和干净。加玻璃基底浸渍到配好的溶液中，将其移入培养箱中温度60度，时间0.5h，通过控制培养箱的气氛，控制培养箱的湿度为80％，乙醇蒸汽的含量20％，实现胶体粒子与响应聚合物的快速组装，制备出稳定快速高灵敏的湿度传感器。通过反射光谱，实现环境中水蒸气的检测。

图3是本实施例中制备的湿度传感器在不同水蒸气条件下反射光谱的变化图。在该图中可以看见九条曲线，曲线1、2、3、4、5、6、7、8和9分别是在湿度为100％、90％、80％、60％、40％、30％、20％、10％和0％的条件下的反射光谱，响应时间为1s。因此在测量中只需利用反射光谱读取反射峰位变化，即可测量湿度。该图可以说明该湿度传感器能够快速响应不同湿度。

实施例3

取SiO₂胶体粒子干粉5g分散在50ml的99％的无水乙醇中，配制成10％的SiO₂胶体粒子的乙醇溶液；取响应聚合物PAA 0.1g溶解在10ml的去离子水溶液中，配制成1％的响应聚合物PVA与水溶液；将SiO₂胶体粒子与乙醇的混合溶液与响应聚合物PVA与水的前驱液按体积比为1:15混合制得组装溶液；将PC基底放置于质量分数为10％十二烷基硫酸钠的水溶中浸泡12h，随后依次用，乙醇和超纯水中冲洗3次，然后在烘箱中烘干。加PC基底浸渍到配好的溶液中，将其移入培养箱中温度60度，时间0.5h，通过控制培养箱的气氛，控制培养箱的湿度为80％，乙醇蒸汽的含量20％，实现胶体粒子与响应聚合物的快速组装，制备出稳定快速高灵敏的湿度传感器。通过反射光谱，实现环境中水蒸气的检测。

图4是本实施例中湿度传感器的循环稳定性测试图，在湿度为0％和100％之间切换测试15次，从图中可以看出该传感器在测试15次后，其反射峰位基本一致。

Claims

1.一种快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法，其特征在于：该快速高灵敏的光子晶体湿度传感器的制备方法按以下步骤制备：

取二氧化硅胶体粒子干粉5g分散在50ml的99％的无水乙醇中，配制成10％的SiO₂胶体粒子的乙醇溶液；取响应聚合物PVA0.1g溶解在10ml的去离子水溶液中，配制成1％的响应聚合物PVA与水溶液；将SiO₂胶体粒子与乙醇的混合溶液和响应聚合物PVA与水的前驱液按体积比为1:10混合制得组装溶液；将玻璃基底放置于质量分数为98％硫酸和质量分数为30％的过氧化氢按体积比7:3的溶液中超声清洗，随后依次在丙酮，乙醇，超纯水中超声15min，然后在烘箱中烘干；去除基底表面的杂质，保证玻璃基底的亲水和干净；将玻璃基底浸渍到配好的组装溶液中，将其移入培养箱中温度60度，时间0.5h，通过控制培养箱的气氛，控制培养箱的湿度为80％，乙醇蒸汽的含量20％，实现胶体粒子与响应聚合物的快速组装，制备出稳定快速高灵敏的湿度传感器；通过反射光谱，实现环境中水蒸气的检测；所述的稳定快速高灵敏的湿度传感器的响应时间为1s。