氧化石墨烯量子点湿度传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器制造领域，特别涉及到一种具有超快响应、耐高湿侵蚀、抗电磁干扰的特点的氧化石墨烯量子点湿度传感器及其制备方法。

背景技术：

无人机气象探测、探空气球、气体钻井地层出水监测等领域往往对湿度传感器有着较高的应用要求，这些领域的湿度传感器既要有超快的的响应速度，又要有较好的耐高湿侵蚀性能，同时还需要具有良好的抗电磁干扰特性，因此开发高性能的湿度传感器有十分重要的意义。

2015年，文献Subsecond Response of Humidity Sensor Based on Graphene Oxide Quantum Dots中提出了一种基于氧化石墨烯量子点的阻抗式湿度传感器，该传感器电极单元为平面叉指结构，将氧化石墨烯量子点分散液旋涂在电极区域，这种湿度传感器采用氧化石墨烯量子点作为湿度敏感材料，氧化石墨烯量子点具有非常大的比表面积和丰富的亲水基团，该传感器能达到亚秒级的响应速度，但是旋涂的成膜方式造成了湿度敏感膜的厚度较厚且膜与衬底的附着性较差，因此这种传感器的响应速度难以进一步提高，而且易受外界水汽侵蚀，影响传感器性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有超快响应、耐高湿侵蚀、抗电磁干扰能力强的特点的氧化石墨烯量子点的电阻式湿度传感器及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种氧化石墨烯量子点湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅基片清洗干净，在硅基片表面形成一层二氧化硅层，然后用真空镀膜法在二氧化硅层表面形成间距小于等于20微米的第一电极和第二电极，得到电极基片,所述第一电极和第二电极为金电极；设定间距为小于等于20微米是为了提高电极的响应速度。

(2)将步骤(1)中得到的电极基片浸入浓度为0.2～2.0毫克/毫升的聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液浸泡5～15分钟，通过静电力在第一电极和第二电极之间及其表面吸附一层聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜，将该电极基片转移至去离子水中涮洗1～30分钟，去除掉未牢固附着到第一电极和第二电极之间及其表面的聚二烯丙基二甲基氯化铵，然后将该涮洗后的电极基片放置入不高于50℃的保护气体中静置1～2小时进行干燥处理，从而得到表面附着有一层聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜的电极基片；

(3)将步骤(2)中得到的表面附着有一层聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜的电极基片浸入浓度为0.5～2.0毫克/毫升且粒径小于等于20纳米的氧化石墨烯量子点分散液中浸泡5～15分钟，通过静电力在聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜表面吸附一层氧化石墨烯量子点薄膜，将该电极基片转移至去离子水涮洗1～30分钟，去除掉未牢固吸附到聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜表面的氧化石墨烯量子点，然后将该涮洗后的电极基片放置入不高于50℃的保护气体中静置1～2小时进行干燥处理，从而得到表面吸附有一层氧化石墨烯量子点薄膜的电极基片；设定氧化石墨烯量子点的粒径小于等于20纳米是以为：粒径越小表面积越大，这样可以吸附更多的水分子，从而提高传感器的响应速度。

(4)通过测量步骤(3)中得到的表面吸附有一层氧化石墨烯量子点薄膜的电极基片的第一电极和第二电极之间的电阻变化来测量湿度。

作为优选方式，步骤(1)中的真空镀膜法为蒸发法或溅射法。

作为优选方式，步骤(1)中用热氧化法在硅基片表面形成一层二氧化硅层。

作为优选方式，步骤(2)和步骤(3)中的保护气体为氮气。

本发明还提供一种氧化石墨烯量子点湿度传感器，包括：底部的硅基片、硅基片上方的二氧化硅层、二氧化硅层表面的第一电极和第二电极、第一电极和第二电极之间及上表面的聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜、聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜上表面的氧化石墨烯量子点薄膜。

作为优选方式，所述电极基片中电极图形为梳齿状且交错排列，即相邻的第一电极之间设有第二电极，相邻的第二电极之间设有第一电极。

作为优选方式，所述湿度传感器采用上述任意一种所述方法制备得到。

本发明的有益效果为：本发明提出的湿度传感器采用氧化石墨烯量子点及聚二烯丙基二甲基氯化铵双层膜作为湿度敏感介质，粒径小于等于20纳米的氧化石墨烯量子点具有非常大的比表面积与丰富的亲水官能团；通过去离子水涮洗除掉吸附不牢的聚二烯丙基二甲基氯化铵与氧化石墨烯量子点，可得到非常薄的湿度敏感薄膜，使得水分子能用较短时间从敏感膜上表面扩散到达底部；同时电极间距小于等于为20微米，可以使得电极之间的敏感膜宽度较小，有利于电子传导。以上这些原因导致该湿度传感器具有极快的响应速度。其次，聚二烯丙基二甲基氯化铵与氧化石墨烯量子点通过静电力作用吸附到第一电极和第二电极之间及表面，并通过去离子水涮洗除掉吸附不牢的聚二烯丙基二甲基氯化铵与氧化石墨烯量子点，因此没有被去离子水涮洗除掉的聚二烯丙基二甲基氯化铵与氧化石墨烯量子点具有耐受高湿侵蚀的特性。另外，传感器通过测量第一电极与第二电极之间的电阻变化来测量湿度，相对于电容式湿度传感器，具有较强的抗电磁干扰能力。

附图说明

图1是本发明的氧化石墨烯量子点湿度传感器的截面图；

图2是本发明的氧化石墨烯量子点湿度传感器的电极结构俯视图；

图3是本发明的氧化石墨烯量子点湿度传感器的俯视图；

其中，1为硅基片，2为二氧化硅层，3为第一电极，4为第二电极，5为聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜，6为氧化石墨烯量子点薄膜。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种氧化石墨烯量子点湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将硅基片清洗干净，在硅基片表面用热氧化法形成一层二氧化硅层，然后用真空镀膜法在二氧化硅层表面形成间距小于等于20微米的第一电极和第二电极，得到电极基片,所述第一电极和第二电极为金电极；设定间距是小于等于20微米是为了提高电极的响应速度。

(2)、将步骤(1)中得到的电极基片浸入浓度为0.2～2.0毫克/毫升的聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液浸泡5～15分钟，通过静电力在第一电极和第二电极之间及其表面吸附一层聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜，将该电极基片转移至去离子水中涮洗1～30分钟，去除掉未牢固附着到第一电极和第二电极之间及其表面的聚二烯丙基二甲基氯化铵，然后将该涮洗后的电极基片放置入不高于50℃的氮气中静置1～2小时进行干燥处理，从而得到表面附着有一层聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜的电极基片；

(3)、将步骤(2)中得到的表面附着有一层聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜的电极基片浸入浓度为0.5～2.0毫克/毫升且粒径小于等于20纳米的氧化石墨烯量子点分散液中浸泡5～15分钟，通过静电力在聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜表面吸附一层氧化石墨烯量子点薄膜，将该电极基片转移至去离子水涮洗1～30分钟，去除掉未牢固吸附到聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜表面的氧化石墨烯量子点，然后将该涮洗后的电极基片放置入不高于50℃的氮气中静置1～2小时进行干燥处理，从而得到表面吸附有一层氧化石墨烯量子点薄膜的电极基片；设定氧化石墨烯量子点的粒径小于等于20纳米是以为：粒径越小表面积越大，这样可以吸附更多的水分子，从而提高传感器的响应速度。

(4)、通过测量步骤(3)中得到的表面吸附有一层氧化石墨烯量子点薄膜的电极基片的第一电极和第二电极之间的电阻变化来测量湿度。

步骤(1)中的真空镀膜法为蒸发法或溅射法。

如图1、图3所示，利用上述方法制备的一种氧化石墨烯量子点湿度传感器，包括：底部的硅基片1、硅基片1上方的二氧化硅层2、二氧化硅层2表面的第一电极3和第二电极4、第一电极3和第二电极4之间及上表面的聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜5、聚二烯丙基二甲基氯化铵薄膜5上表面的氧化石墨烯量子点薄膜6。

如图2所示，所述电极基片中电极图形为梳齿状且交错排列，即相邻的第一电极之间设有第二电极，相邻的第二电极之间设有第一电极。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。