CN111830088A - 一种离子型薄膜湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子型薄膜湿度传感器及其制备方法，采用N次循环操作将银纳米线溶液喷涂到传感器基膜表面并烘干，在基膜表面形成厚度为2.4μm‑3.2μm的电极层。本发明采用银纳米线溶液作为电极材料，通过喷涂和热烘干在制作湿度传感器的表面形成金属电极，不仅制作电极所需要的材料少、环保无污染，而且这种方式制作电极的步骤简单、高效，耗时短；同时，由于电极厚度小且银纳米线溶液烘干后在基体膜表面呈网络状结构，使得薄膜传感器具有较高的透明度。
Description
技术领域
本发明属于化学传感器制备领域，具体涉及一种离子型薄膜湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度的控制和调整有助于减少能耗和提高产品质量。湿度传感器种类繁多，按照工作原理的不同可以分为伸缩式、蒸发式、露点式、电子式、离子式等。离子型传感器具有体积小、操作简单、灵敏度高、免标记等优点。
传统的离子型湿度传感器是以离子聚合物金属复合物材料（ionic polymer-metal composites，简称IPMC）作为主体制作而成的能感知湿度环境变化的传感器，所制作的传感器由于表面金属电极的存在，传感器柔性性能受到抑制，难以产生大的变形，不利于贴附或靠近表面形貌变化较大的物体上。同时由于金属电极的存在，传感器整体是不透明的，难以通过传感器来观察物体表面或周围的变化情况。
以上缺陷的存在，限制了离子型湿度传感器的应用，因此需要通过工艺的改善，合适的材料选择来简化制备过程，优化整体柔性，提高透明度，同时使其拥有良好的传感性能。
发明内容
针对现有技术中所制作的传感器所存在的柔性差和透明度低的问题，本发明改善了传感器的制备工艺，提出一种新型的、简化流程的离子型薄膜湿度传感器及其制备方法。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提出一种离子型薄膜湿度传感器的制备方法，采用N次循环操作将银纳米线溶液喷涂到传感器基膜表面并烘干，在基膜表面形成厚度为2.4μm-3.2μm的电极层。
作为本发明的进一步改进，所述的电极层制作在所述传感器基膜的两面。
作为本发明的进一步改进，在所述传感器基膜的两面采用单次单面、两面依次交替循环制作单层电极层。
作为本发明的进一步改进，单次所制作的单层电极层的厚度为0.08μm-0.10μm，单侧电极层的制作共需30-40次循环。
作为本发明的进一步改进，所述的银纳米线溶液的浓度为0.5mg-2mg/ml。
作为本发明的进一步改进，单次所述的喷涂步骤为采用喷涂枪在喷涂压力0.1-0.2Mpa的条件下，按单位面积0.03ml/cm2-0.13ml/cm2的喷涂量进行的喷涂。
作为本发明的进一步改进，采用热风烘干对喷涂到传感器基膜表面的银纳米线溶液进行烘干，烘干时所使用的热风温度为100-180℃，烘吹的时间为5-10s。
作为本发明的进一步改进，还包括对完成电极层制作的薄膜进行切割
作为本发明的进一步改进，所采用的传感器基膜选用的是离子交换膜Nafion膜，制作电极层前需依次采用超声波清洗、酸洗、碱洗和去离子水清洗进行预处理。
本发明还提出了一种根据以上所述的制备方法制备的离子型薄膜湿度传感器。
本发明的有益效果：本发明采用银纳米线溶液作为电极材料，通过喷涂和热烘干在制作湿度传感器的表面形成金属电极，本身不仅制作电极所需要的材料少、环保无污染，而且这种方式制作电极的步骤简单、高效，耗时短；同时，由于电极厚度小且银纳米线溶液烘干后在基体膜表面呈网络状结构，这使得薄膜传感器具有较高的透明度。
附图说明
图1为本发明所制作的离子型湿度传感器的结构示意图及表面电极形貌示意图；
图2为本发明湿度传感器制作过程中的喷涂操作示意图；
图3为本发明湿度传感器制作过程中的烘干操作示意图；
1-电极层，2-基体膜，3-喷枪，4-热风枪。
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。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
1.基体膜的预处理
选用离子交换膜Nafion膜为基体膜2，依次对其进行超声波清洗、酸洗、碱洗和去离子水清洗。
1.1超声波清洗：本步骤是为了去除表面存在的可见和不可见污染。首先将基体膜2切割成22mm×11mm的条状。然后将超声波清洗器的温度设定为50℃，清洗时间为30分钟。再夹取基体膜2于清洗器中进行清洗。夹取基体膜2即Nafion膜时尽量使用塑料镊子，以免金属材料的镊子划伤基体膜2的表面。
1.2盐酸煮洗：本步骤主要是为了去除基体膜2内部的杂质离子，同时增大基体膜2内氢离子的含量。盐酸煮洗采用的盐酸溶液浓度为0.2mol/L，采用的设备为恒温水浴锅，煮洗温度设置为100℃，煮洗时间设置为1小时。
1.3氢氧化钠溶液煮洗：本步骤主要是为了将钠离子交换至基体膜2内，取代氢离子。氢氧化钠溶液煮洗采用的氢氧化钠溶液浓度为0.2mol/L，采用的设备为恒温水浴锅，煮洗温度设置为100℃，煮洗时间设置为1小时。
1.4去离子水煮洗：本步骤是为了去除基体膜2外部的残留溶液。将煮洗温度设置为100℃，煮洗时间设置为30分钟。
2.表面电极制备
2.1配制银纳米线溶液：通过调整去离子水和银纳米线溶液原液的比例，获得浓度为1mg/ml的银纳米线溶液。配置完成后，进行超声振荡使得溶液分散均匀，时间设置为10分钟。
2.2基体膜2表面喷涂：将配制好的银纳米线溶液倒入喷涂装置，然后对基体膜2表面按0.03ml/cm2-0.13ml/cm2的喷涂量进行喷涂。本步骤采用的喷涂装置为喷枪3，喷涂时的喷枪的压力设置为0.15Mpa，单面的喷涂时间为2-5秒。
2.3表面加热：基体膜2表面喷涂完银纳米线溶液后，采用加热装置对基体膜2表面进行加热，在短时间内使得基体膜2表面喷涂的银纳米线溶液快速烘干，形成膜厚均匀一致的分层电极膜。本步骤所采用的加热装置为热风枪4，加热温度设置为160℃，单面加热时间为5-10s。待加热完毕，水分蒸发后，在基体膜2表面完成分布电极层1的制作。
经步骤2.2和步骤2.3，单次沉积的电极层1的厚度为0.08μm-0.10μm。
2.4重复制备：在基体膜2的上下两面依次交替重复上述的步骤2.2和步骤2.3，一面完成后，再对另一面重复相同的步骤，双面循环30-40次，直至表面电阻降到10Ω/□（方块电阻）以下。
本发明所制作的电极层1采用多次循环分层制作、依次沉积的方式保证每一步的所制作的电极层1的均匀性从而保证所制作电极层1整体的均匀性，且电极层厚度小，制作电极层的银纳米线溶液烘干后在基体膜表面呈网络状结构，这使得薄膜传感器具有较高的透明度。经测试，当所制作的电极层1的电阻降至10Ω/□以下时，所制作的电极层的厚度不高于20微米，透明度不低于60%。
另外本发明采用的是单次单面、两面交替循环是为了保证基体膜2两侧的受热均匀，避免一侧相对于另一侧因长期的热变形所导致的两侧微观晶体结构差较大给基体膜2造成较大的变形，从而降低传感器的性能。
3．后处理：对先前得到的表面覆有银纳米线电极的基体膜2进行切边处理，得到20mm×10mm的复合型薄膜湿度传感元件。
采用以上方法所制作的湿度传感器的总耗时不超过 10小时。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种离子型薄膜湿度传感器的制备方法，其特征在于：采用N次循环操作将银纳米线溶液喷涂到传感器基膜表面并烘干，在基膜表面形成厚度为2.4μm-3.2μm的电极层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的电极层制作在所述传感器基膜的两面。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在所述传感器基膜的两面采用单次单面、两面依次交替循环制作单层电极层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：单次所制作的单层电极层的厚度为0.08μm-0.10μm，单侧电极层的制作共需30-40次循环。
5.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述的银纳米线溶液的浓度为0.5mg-2mg/ml。
6.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：单次所述的喷涂步骤为采用喷涂枪在喷涂压力0.1-0.2Mpa的条件下，按单位面积0.03ml/cm2-0.13ml/cm2的喷涂量进行的喷涂。
7.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：采用热风烘干对喷涂到传感器基膜表面的银纳米线溶液进行烘干，烘干时所使用的热风温度为100-180℃，烘吹的时间为5-10s。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：还包括对完成电极层制作的薄膜进行切割。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所采用的传感器基膜选用的是离子交换膜Nafion膜，制作电极层前需依次采用超声波清洗、酸洗、碱洗和去离子水清洗进行预处理。
10.权利要求1-9任一项所述的制备方法制备的离子型薄膜湿度传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201027 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |