CN108680615A - 一种纸基柔性湿度传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纸基柔性湿度传感器的制备方法，包括：通过将聚酰胺酸PAA旋涂至纸质基底上，放置在加热台上加热固化，利用原位生长银法在固化的纸基底上生长银层，利用蓝膜光刻的工艺形成基于纸质基底的柔性湿度传感器。本发明利用纸的吸湿特性，采用简单的工艺制造出纸基柔性湿度传感器，可大规模生产制造，成本低，制备工艺简单且环保，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于传感器设计领域，特别涉及一种纸基柔性湿度传感器的制备方法。
背景技术
湿度传感器被广泛应用于环境监测、工艺控制、食品生产、生物电子及制药中，根据其制造原理可分为电容式、电阻式、吸湿式等。大多商用湿度传感器采用电容式原理因其具有低功耗、动态范围大、接口电路简单及易集成等特点。
湿度受其他因素（大气压强、温度）的影响，其标准也是一个难题，且湿度定标设备价格昂贵，近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正在从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度检控系统创造了有利条件。
近年来，发明了一些为解决湿度传感器灵敏度，检测精度等问题湿度传感器，如CN201480039333.3的一种温湿度传感器制备方法；CN 201721045672.X的一种温湿度传感器；它们虽然对于湿度传感器的制备在一定程度上可以提高灵敏度，可靠性并降低成本，但存在的问题是，上述工艺方法结构复杂，成本较高，无法大规模制备且因刚性结构而限制了它们的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种纸基柔性湿度传感器的制备方法，具有可大规模制作，灵敏度高，感测范围大，制作简单，成本低且无二次污染等特点，通过PAA诱导原位生长金属银的方法，在纸基底上制备叉指电极，通过纸基底的吸湿特性，能够很好的进行湿度感测。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种纸基柔性湿度传感器的制备方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：选择玻璃载玻片作为衬底，先后使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗衬底5-10分钟，然后放入60-100℃的烘箱烘干，将纸质基底平整地粘附在清洗干净的玻璃载玻片上；
步骤2：利用甩胶机均匀旋涂一层厚度为20~30um、质量比为15wt%的聚酰胺酸PAA置于纸质基底上；将旋涂后纸质基底的玻璃载玻片置于60-100℃的加热台上，恒温加热40-60分钟使旋涂聚酰胺酸PAA固化，然后置于室温下降至室温；
步骤3：将降温之后所得的纸质基底的玻璃载玻片浸泡在0.02mol/L 硝酸银溶液中15-30分钟，然后置于浓度为8~10mmol/L的还原剂中，使之析出银层；得到原位生长的银薄膜；
步骤4：使用喷墨打印机将所需叉指电路图形打印到大小为A4的菲林片上，以此作为光刻掩膜板；
步骤5：在步骤3所得银薄膜上平整的贴附一层感光蓝膜，使之平整无气泡；
步骤6：在感光蓝膜上附上留有叉指电极图形的掩膜版进行掩膜光刻，掩膜光刻采用UV法进行；
步骤7：光刻之后放入显影液去掉叉指电极图形以外的蓝膜；
步骤8：将显影后的样品进行刻蚀，刻蚀暴露出来的银层；
步骤9：将刻蚀后的样品放入丙酮溶液中进行脱膜，得到纸质基底上的银层图形化叉指电极，纸质基底和旋涂其上的PAA以及叉指电极构成纸基柔性湿度传感器；其中，所述纸质基底为化学分析滤纸。
所述还原剂为过氧化氢或硼氢化钠溶液。
所述显影液为pH=12的氢氧化钠溶液。
所述刻蚀剂为6M的过氧化氢溶液。
所述脱膜溶液为丙酮分析纯。
所制得的纸基湿度传感器，利用了纸质基底和PAA构成的复合结构的吸湿特性，实现了对相对湿度范围为15%-95%的高灵敏感测。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明选择纸质基底，利用PAA诱导原位生长银的方法在纸基上图形化金属制备叉指电极，利用纸和PAA复合结构的吸湿特性来达到湿度感测的目的。
2、本发明采用的电极结构可以大规模制备，灵敏度高，测量范围广，结构简单且因其基底材料为纸，所以成本低、环保。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明无电镀原位生长银层流程示意图；
图3为本发明叉指电极掩膜版示意图。
具体实施方式
参阅图1-3，本发明制备过程：
步骤1：选择玻璃载玻片作为衬底，先后使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗衬底5分钟并放入60℃烘箱烘干，保证玻璃载片表面光洁，能够平整的粘附纸质基底；将纸质基底11平整地粘附在清洗干净的玻璃载玻片上；
步骤2：利用甩胶机均匀旋涂一层聚酰胺酸(PAA)于纸质基底11上；将所得旋涂后的纸质基底置于60-100℃的加热台上，恒温加热60分钟使PAA固化，然后置于室温下降至室温，在纸质基底11上得到固化的PAA 12；
步骤3：将降温之后所得到的纸质基底通过无电镀化学法原位生长银薄膜13；配置0.02mol/L的硝酸银溶液21，将纸质基底浸泡，硝酸银溶液中20分钟22，然后置于浓度为8~10mmol/L的还原剂中23，使之析出银层，选择8~10mmol/L的浓度是为了还原出来的银层足够致密；
步骤4：使用喷墨打印机将所需电路图形打印到大小为A4的菲林片上，以此作为光刻掩膜板31；
步骤5：在所得银薄膜13上平整的贴附一层感光蓝膜14，使之平整无气泡；
步骤6：在感光蓝膜14上附上留有叉指电极图形的掩膜板31进行掩膜光刻15，所述的掩膜光刻采用的是UV法掩膜光刻；
步骤7：光刻之后放入显影液去掉叉指图形以外的蓝膜16，所述的显影液是pH=12的氢氧化钠溶液；
步骤8：将所得显影过的样品进行刻蚀，刻蚀暴露出来的银层17，所述的刻蚀剂为6mol/L的过氧化氢，采用过氧化氢作为刻蚀剂的原因是过氧化氢刻蚀速度快，加热后分解，不会有残留物质留在纸质基底内影响后续测试结果；
步骤9：将刻蚀后的样品放入丙酮溶液中进行脱膜，得到纸质基底上的银层图形化叉指电极18，纸质基底和PAA以及叉指电极构成所述纸基柔性湿度传感器；其中，所述脱膜溶液为丙酮分析纯。
实施例
步骤1：将一块尺寸为2cm*2cm的玻璃载片，先后丙酮、乙醇和去离子水超声清洗5分钟，然后放入60℃的烘箱里烘干，5分钟。这样可以保证玻璃载片表面光洁，能够平整的粘附纸质基底；将所需的纸质基底11平整的粘附在玻璃载片上；
步骤2：使用甩胶机均匀旋涂一层PAA于纸质基底上，将15wt%的PAA滴在纸质基底中心处，甩胶机的前转设置为700r/s，时间12s，后转2000r/s，时间40s，使得PAA均匀涂在纸基底上，甩胶完成后，将样品置于80℃的加热台上使PAA加热固化一小时，然后置于室温下降温到室内温度，在纸质基底11上得到固化的PAA 12，选用15wt%的PAA，使得PAA的厚度能够达到要求，便于生长致密的银层；
步骤3：将所得的基底通过原位生长法生长银薄膜13，配置0.02mol/L的硝酸银溶液21，将处理的纸质基底浸泡在硝酸银溶液中20分钟22，然后置于8mmol/L的还原剂硼氢化钠中23，析出银层；
步骤4：使用喷墨打印机将所需电路图形打印到大小为A4的菲林片上，以此作为光刻掩膜板31；
步骤5：在银层表面平整的贴附一层蓝膜14，使之平整无气泡；
步骤6：在蓝膜14上附上留有叉指电极图案的掩膜板31来掩膜光刻15，置于紫外灯下照射曝光60s，采用的是UV法掩膜曝光；
步骤7：将曝光后的样品放置在pH=12的氢氧化钠溶液的显影液中，去掉多余的蓝膜16；
步骤8：显影结束后，放入浓度为6mol/L的过氧化氢中，刻蚀掉未被蓝膜覆盖的银层得到17，采用过氧化氢作为刻蚀剂的原因是过氧化氢刻蚀速度快，加热后分解，不会有残留物质留在纸质基底内影响后续测试结果；
步骤9：将所得纸质基底用丙酮浸泡脱膜，去掉蓝膜，再用去离子水冲洗干净，然后放入烘箱烘，此时完成了纸基柔性湿度传感器的制备18。
接下来使用湿度传感器的测试，将制备好的湿度传感器放入JKZ1型探空检测箱，改变箱内湿度，用数字万能电表测试，结果发现随着箱内湿度环境的变化，电表测试电容值发生响应变化，且其灵敏度较高。
Claims (6)
1.一种纸基柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：选择玻璃载玻片作为衬底，先后使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗衬底5-10分钟，然后放入60-100℃的烘箱烘干，将纸质基底平整地粘附在清洗干净的玻璃载玻片上；
步骤2：利用甩胶机均匀旋涂一层厚度为20~30um、质量比为15wt%的聚酰胺酸PAA置于纸质基底上；将旋涂后纸质基底的玻璃载玻片置于60-100℃的加热台上，恒温加热40-60分钟使旋涂聚酰胺酸PAA固化，然后置于室温下降至室温；
步骤3：将降温之后所得的纸质基底的玻璃载玻片浸泡在0.02mol/L 硝酸银溶液中15-30分钟，然后置于浓度为8~10mmol/L的还原剂中，使之析出银层；得到原位生长的银薄膜；
步骤4：使用喷墨打印机将所需叉指电路图形打印到大小为A4的菲林片上，以此作为光刻掩膜板；
步骤5：在步骤3所得银薄膜上平整的贴附一层感光蓝膜，使之平整无气泡；
步骤6：在感光蓝膜上附上留有叉指电极图形的掩膜版进行掩膜光刻，掩膜光刻采用UV法进行；
步骤7：光刻之后放入显影液去掉叉指电极图形以外的蓝膜；
步骤8：将显影后的样品进行刻蚀，刻蚀暴露出来的银层；
步骤9：将刻蚀后的样品放入丙酮溶液中进行脱膜，得到纸质基底上的银层图形化叉指电极，纸质基底和旋涂其上的PAA以及叉指电极构成纸基柔性湿度传感器；其中，所述纸质基底为化学分析滤纸。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为过氧化氢或硼氢化钠溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述显影液为pH=12的氢氧化钠溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀剂为6M的过氧化氢溶液。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱膜溶液为丙酮分析纯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所制得的纸基湿度传感器，利用了纸质基底和PAA构成的复合结构的吸湿特性，实现了对相对湿度范围为15%-95%的高灵敏感测。
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