CN110376253B - 一种湿度传感器、制备方法及湿敏型开关触发器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于开关触发器领域，并公开了一种湿度传感器、制备方法及湿敏型开关触发器。湿度传感器包括基体和功能层，基体优选为石英晶体微天平，所述功能层为GO/Cu(OH)2复合层，该GO/Cu(OH)2复合层中包括Cu(OH)2纳米线和粘附在该Cu(OH)2纳米线之间的GO，GO用于提高Cu(OH)2纳米线的亲水性。本发明还公开了湿度传感器的制备方法和一种非接触式湿敏型开关触发器，湿度传感器用于吸收待测对象的水分，使得其自身的谐振频率发生变化；差频电路与振荡电路连接，用于判断是否有待测对象靠近。通过本发明，开关触发器具备灵敏度高、耐用性强、制造工艺简单、成本低等特点。

Description

一种湿度传感器、制备方法及湿敏型开关触发器
技术领域
本发明属于开关触发器领域，更具体地，涉及一种湿度传感器、制备方法及湿敏型开关触发器。
背景技术
生活中常见的开关触发器一般为按钮式的机械接触式开关触发器，在接触这类开关触发器时，因为人体皮肤需要直接接触开关触发器，在潮湿环境或者手是湿的情况下就具有一定漏电的风险，并且这类开关触发器的使用寿命也因长期频繁地使用更容易导致失灵或损坏，这会给使用者带来一定的安全隐患和麻烦。近年来，随着科技的进步与发展，一些非接触式开关触发器也随之产生，如：红外开关触发器、声控开关触发器、光敏开关触发器、雷达开关触发器等，虽然这些触发方式防止了人和开关触发器的直接接触，但依旧存在着一些不足，如结构复杂、反应不够灵敏、响应不够准确等。
专利CN201510947347公开了一种非接触式开关，包括：开关面板；接近传感器包括发射器和接收器，发射器适于发射脉冲信号，接收器适于接收脉冲信号经反射后的反射信号；以及与接近传感器连接的控制单元，包括定时器、判断逻辑和信号产生逻辑，判断逻辑适于根据反射信号确定该开关的感应区域内是否存在遮挡物；定时器适于自判断逻辑确定开关的感应区域内存在遮挡物起开始计时，直至该判断逻辑确定遮挡物移出开关感应区域停止计时；信号产生逻辑适于根据定时器的计时产生控制信号，这种非接触式开关，结构复杂，制造成本高，灵敏度低，响应时间长。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种湿度传感器、制备方法及湿敏型开关触发器，其中通过对湿度传感器的设计，使得该湿度传感器中包括Cu(OH)2纳米线层和GO层两个亲水层，GO层粘附在Cu(OH)2纳米线层上，进一步提高Cu(OH)2纳米线层的亲水性，进而提高湿度传感器的灵敏度，以此提高湿敏型开发触发器感应待测对象的灵敏性，缩短响应时间。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种湿度传感器，该湿度传感器包括基体和设置在该基体上的功能层，所述基体优选为石英晶体微天平，所述功能层为GO/Cu(OH)2纳米复合层，该GO/Cu(OH)2纳米复合层中包括Cu(OH)2纳米线和粘附在该Cu(OH)2纳米线之间的GO，其中，所述GO用于提高所述Cu(OH)2纳米线的亲水性。
进一步优选地，所述Cu种子层厚度为5nm～500nm。
按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的湿度传感器的制备方法，该方法包括下列步骤：
(a)选取石英晶体微天平作为基体，采用磁控溅射的方式在所述基体上沉积厚度为5nm～500nm的Cu种子层；
(b)将表面沉积有所述Cu种子层的石英微晶天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，使得所述Cu种子层与所述混合溶液反应生成Cu(OH)2纳米线，以此在所述基体上获得Cu(OH)2纳米线层；
(c)将GO分散液滴涂在步骤(b)中生成的Cu(OH)2纳米线层表面，使得所述GO粘附在所述Cu(OH)2纳米线之间，以此获得所需的GO/Cu(OH)2纳米复合层，干燥后获得所需的湿度传感器。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述磁控溅射优选采用射频或者直流模式，功率为50W～400W。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述混合溶液中氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔质量浓度配比优选为(5～25):1。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述将表面沉积有所述Cu种子层的石英微晶天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中的时间为3min～20min，过低的浓度或生长时间无法让Cu金属层完全反应成Cu(OH)2纳米线，过高则会有副产物。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述GO分散液的浓度优选为0.25mg/mL～5mg/mL，浓度过低则GO的传感性能不佳，过高则无法在Cu(OH)2纳米线表面扩散，也无法起到传感作用。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述GO分散液通过分次滴涂在所述Cu(OH)2纳米线层上，每次液滴的体积为50微升～200微升，滴涂的次数为1次～20次，过少的GO分散液无法覆盖整个石英晶体微天平表面，过量则会溢出。
按照本发明的又一方面，提供了一种非接触式湿敏型开关触发器，该触发器包括振荡电路和差频电路，所述振荡电路包括上述所述的湿度传感器和微天平，其中：
所述湿度传感器用于感应待测对象，当待测对象靠近所述湿度传感器时，该湿度传感器吸收待测对象的水分，使得其自身的谐振频率发生变化；所述微天平为石英天平微天平；
所述差频电路与所述振荡电路连接，用于检测所述湿敏传感器和微天平的谐振频率，并计算所述湿敏传感器和微天平的谐振频率的差值，通过将该差值与预设阈值进行比较，判断是否有待测对象靠近。
进一步优选地，所述预设阈值为：当没有待测对象靠近时，所述湿度传感器和微天平的谐振频率之差。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明非接触式湿敏型开关触发器，使用石英晶体微天平湿度传感器作为核心触发元件，采用Cu作为石英晶体微天平的种子层，用以制备Cu(OH)2纳米线，并滴涂GO分散液，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，Cu(OH)2纳米线本身具备一定的亲水性，在其表面涂覆GO后，进一步提高其亲水性，使得湿度传感器的灵敏度提高、响应时间缩短；
2、本发明非接触式湿敏型开关触发器，通过判断有无湿度源的靠近来控制开关的通断，设计新颖、合理，使用方便，只需将手靠近即可完成负载的场景开关操作。硬件只有两个石英晶体微天平和极少量的外围元件组成，控制功能丰富，十分实用；
3、本发明非接触式湿敏型开关触发器，设计科学、合理，能迅速响应多种手势，控制稳定、方便；实现方式简单，操作简化，可靠工作在如潮湿、寒冷和酷热等变化多端的环境中；
4、本发明非接触式湿敏型开关触发器，无需接触到开关触发器表面，预防了漏电等安全隐患，避免了开关触发器的磨损，提高了开关触发器寿命和用户体验。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的非接触式湿敏型开关触发器结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的石英晶体微天平单面磁控溅射Cu种子层示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的表面有Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平的示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的表面有GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平的示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的Cu(OH)2纳米线的扫描电子显微镜SEM表征图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的GO/Cu(OH)2纳米复合材料的扫描电子显微镜SEM表征图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的石英晶体微天平湿度传感器对手指靠近所做出的响应频谱图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-振荡电路，110-差频电路，101-湿度传感器，102-微天平，200-石英晶体微天平电极，201-Cu种子层，300-Cu(OH)2纳米线，400-GO/Cu(OH)2纳米复合材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种湿度传感器，该湿度传感器包括基体和设置在该基体上的功能层，基体优选为石英晶体微天平，因其价格便宜，结构稳定，且测量精度可以达到纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高1000倍，功能层为GO/Cu(OH)2纳米复合材料，其中Cu(OH)2纳米线具有亲水性，是Cu种子层与氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液反应生成的，GO分布在Cu(OH)2纳米线上，用于提高Cu(OH)2纳米线层的亲水性。
一种石英晶体微天平湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)如图2所示，Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平200表面沉积一层厚度为5nm～500nm的Cu种子层201，用于后续生长Cu(OH)2纳米线，其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为50W～400W，Cu种子层的制备为单面。
(2)如图3所示，Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，从而将Cu种子层反应为超亲水Cu(OH)2纳米线300。其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为(5～25):1，生长时间为3min～20min，过低的浓度或生长时间无法让Cu金属层完全反应成Cu(OH)2纳米线，过高则会有副产物。
(3)如图4所示，GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，干燥后获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料400的石英晶体微天平湿度传感器，其中，GO分散液的浓度为0.25mg/mL～5mg/mL，GO分散液通过微量移液器分次滴涂在所述Cu(OH)2纳米线上，每次液滴的体积50微升～200微升，滴涂的次数为1次～20次。
如图5所示为Cu(OH)2纳米线的形貌，它由许多纳米线所组成。如图6所示为GO/Cu(OH)2纳米复合材料的形貌，在滴涂GO后，Cu(OH)2纳米线原本的线性形貌没有被改变，GO是以大片状的褶皱形态覆盖在Cu(OH)2纳米线表面上的。为了进一步说明基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器的灵敏性及快速响应性，如图7所示给出了其对手指靠近时的频率响应图：当有手指靠近开关触发器时，石英晶体微天平湿度传感器的频率会迅速且大幅度地减小；当手指远离开关触发器后，石英晶体微天平湿度传感器的频率会恢复原值。并且，该变化具有很好的重复性和稳定性。
本发明提出的一种湿敏型开关触发器，其核心器件的湿度传感器是以石英晶体微天平为基底，氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)/氢氧化铜(Cu(OH)2)纳米复合层作为功能层，通过感知人体的湿度来判断和控制开关的通断，灵敏度高、响应速度快、寿命长并且安全性高。如图1所示，本发明提供一种非接触式湿敏型开关触发器，包括振荡电路100和差频电路110，靠近的手是本装置的被测对象，同时也是本装置的输入命令。该开关触发器的正前方区域为该开关触发器的感应区域，感应区域距离选取过远或过近，均易导致用户误操作，因此基于提高开关触发器感应精度的考虑，感应区域可以设置为振荡电路前方距离1cm～10cm区域。
振荡电路100包括石英晶体微天平湿度传感器101和石英晶体微天平102。当感应区域内有手靠近时，会产生信号B和信号C分别传给石英晶体微天平湿度传感器101和石英晶体微天平102，当有手指靠近所述石英晶体微天平湿度传感器时，因人体表面有一定湿度，故会有水分子被吸附到石英晶体微天平湿度传感器表面，使其质量发生变化，进而使振动频率减弱；而石英晶体微天平不具有湿敏性，故对石英晶体微天平102的谐振频率影响可以忽略不计。
差频电路110与振荡电路100连接，适于将石英晶体微天平湿度传感器101和石英晶体微天平102上发生的质量变化信号A转换为频率变化，并做两者的差值得到频率差值，在预先感应区域内没有手靠近的条件下，所述石英晶体微天平湿度传感器101的谐振频率小于石英晶体微天平102的谐振频率，并将此时石英晶体微天平湿度传感器101和石英晶体微天平102之间的频率差值作为预设阈值。
当有手指靠近所述石英晶体微天平湿度传感器时，石英晶体微天平湿度传感器101的谐振频率将进一步减小，此时石英晶体微天平湿度传感器101和石英晶体微天平102之间的频率差值将大于预设阈值，即判断为有手指靠近。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
(1)Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平表面沉积一层厚度为50nm的Cu种子层，用于后续生长Cu(OH)2纳米线。其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为50W，种子层的制备为单面。
(2)Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，与Cu种子层反应生成超亲水Cu(OH)2纳米线，其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为5:1，生长时间为3min。
(3)GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，滴涂的次数为1次，每次液滴的体积为50微升，GO分散液的浓度为0.5mg/mL。
实施例2
(1)Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平表面沉积一层厚度为100nm的Cu种子层，用于后续生长Cu(OH)2纳米线。其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为100W，种子层的制备为单面。
(2)Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，与Cu种子层反应生成超亲水Cu(OH)2纳米线，其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为10:1，生长时间为5min。
(3)GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，滴涂的次数为2次，每次液滴的体积为100微升，GO分散液的浓度为0.25mg/mL。
实施例3
(1)Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平表面沉积一层厚度为150nm的Cu种子层，用于后续生长Cu(OH)2纳米线。其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为100W，种子层的制备为单面。
(2)Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，与Cu种子层反应生成超亲水Cu(OH)2纳米线，其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为15:1，生长时间为10min。
(3)GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，滴涂的次数为5次，每次液滴的体积为200微升，GO分散液的浓度为0.5mg/mL。
实施例4
(1)(1)Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平表面沉积一层厚度为200nm的Cu种子层，用于后续生长Cu(OH)2纳米线。其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为150W，种子层的制备为单面。
(2)Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，与Cu种子层反应生成超亲水Cu(OH)2纳米线，其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为20:1，生长时间为15min。
(3)GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，滴涂的次数为1次，每次液滴的体积为200微升，GO分散液的浓度为1mg/mL。
实施例5
(1)Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平表面沉积一层厚度为300nm的Cu种子层，用于后续生长Cu(OH)2纳米线。其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为150W，种子层的制备为单面。
(2)Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，与Cu种子层反应生成超亲水Cu(OH)2纳米线，其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为25:1，生长时间为20min。
(3)GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，滴涂的次数为1次，每次液滴的体积为200微升，GO分散液的浓度为4mg/mL。
实施例6
(1)Cu种子层的制备：采用磁控溅射的方式在石英晶体微天平表面沉积一层厚度为500nm的Cu种子层，用于后续生长Cu(OH)2纳米线。其中，磁控溅射的方式为射频或者直流模式，功率为400W，种子层的制备为单面。
(2)Cu(OH)2纳米线层的制备：将表面沉积了Cu的石英晶体微天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，与Cu种子层反应生成超亲水Cu(OH)2纳米线，其中，过硫酸铵和氢氧化钠的摩尔质量浓度配比为15:1，生长时间为10min。
(3)GO层的制备：将表面生长了Cu(OH)2纳米线的石英晶体微天平水平放置，使用微量移液器将GO分散液滴涂在其表面，从而获得基于GO/Cu(OH)2纳米复合材料的石英晶体微天平湿度传感器，其中，滴涂的次数为10次，每次液滴的体积为200微升，GO分散液的浓度为0.5mg/mL。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，该触发器包括振荡电路和差频电路，所述振荡电路包括湿度传感器和微天平，其中：
所述湿度传感器用于感应待测对象，当待测对象靠近所述湿度传感器时，该湿度传感器吸收待测对象的水分，使得其自身的谐振频率发生变化；所述微天平为石英天平微天平，所述湿度传感器包括基体和设置在该基体上的功能层，所述基体为石英晶体微天平，所述功能层为GO/Cu(OH)2纳米复合层，该GO/Cu(OH)2纳米复合层中包括Cu(OH)2纳米线和粘附在该Cu(OH)2纳米线之间的GO，其中，所述GO用于提高所述Cu(OH)2纳米线的亲水性；
所述差频电路与所述振荡电路连接，用于检测所述湿敏传感器和微天平的谐振频率，并计算所述湿敏传感器和微天平的谐振频率的差值，通过将该差值与预设阈值进行比较，判断是否有待测对象靠近。
2.如权利要求1所述的一种非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，所述预设阈值为：当没有待测对象靠近时，所述湿度传感器和微天平的谐振频率之差。
3.如权利要求1所述的非接触式湿敏型开关触发器，所述的湿度传感器的制备方法包括下列步骤：
(a)选取石英晶体微天平作为基体，采用磁控溅射的方式在所述基体上沉积厚度为5nm～500nm的Cu种子层；
(b)将表面沉积有所述Cu种子层的石英微晶天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，使得所述Cu种子层与所述混合溶液反应生成Cu(OH)2纳米线，以此在所述基体上获得Cu(OH)2纳米线层；
(c)将GO分散液滴涂在步骤(b)中生成的Cu(OH)2纳米线层表面以使GO以大片状的褶皱形态覆盖在Cu(OH)2纳米线，进而使得所述GO粘附在所述Cu(OH)2纳米线之间，以此获得所需的GO/Cu(OH)2纳米复合层，干燥后获得所需的湿度传感器。
4.如权利要求3所述的非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，在步骤(a)中，所述磁控溅射采用射频或者直流模式，功率为50W～400W。
5.如权利要求3所述的非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，在步骤(b)中，所述混合溶液中氢氧化钠和过硫酸铵的摩尔质量浓度配比为(5～25):1。
6.如权利要求3所述的非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，在步骤(b)中，所述将表面沉积有所述Cu种子层的石英微晶天平置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中的时间为3min～20min。
7.如权利要求3所述的非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，在步骤(c)中，所述GO分散液的浓度为0.25mg/mL～5mg/mL。
8.如权利要求3所述的非接触式湿敏型开关触发器，其特征在于，在步骤(c)中，所述GO分散液通过分次滴涂在所述Cu(OH)2纳米线层上，每次液滴的体积为50微升～200微升，滴涂的次数为1次～20次。
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