一种碳点基湿度传感器及其制备方法

1.本发明涉及碳点与湿度传感器技术领域，特别是指一种碳点基湿度传感器及其制备方法。


背景技术：

2.从实验室到工业生产，从制药工业到日常生活，对环境的湿度测量及其后续控制是各种实验和各种应用中经常监测的参数。湿度指的是空气中含有的水蒸气的量。水蒸气是最丰富的温室气体，是影响人类生活的重要非生物因素。为了准确地描述湿度，人们定义了各种标准，即绝对湿度、相对湿度、特定湿度等。其中，相对湿度一词通常被用来描述考虑到温度和压力的情况下周围大气中的水蒸气含量。
3.近年来，湿度监测技术的发展日新月异，湿度传感器的用途非常广泛，包括室内应用、植物生长、工业过程控制、电子、半导体领域以及医疗过程等。许多对湿度敏感的材料，如聚合物、半导体材料和钙钛矿都已经被研究过。然而，大多数由这些材料制备的传感器灵敏度低、稳定性差，生物相容性低，限制了它们的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述湿度器的不足，利用碳点设计出一种性能优异的湿度传感器，该碳点基湿度传感器在相对湿度为94％的条件下对湿度的响应高达5318％，并且在相对湿度范围为11％-94％下能保持优异的稳定，而且碳点制备方法简单，成本低。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种碳点基湿度传感器，包括从下到上依次设置的衬底层、叉指电极和碳点层。
6.进一步地，所述碳点层由粒径3-5nm的碳点颗粒组成。
7.进一步地，所述叉指电极为金叉指电极。
8.进一步地，所述衬底层为氧化铝衬底。
9.一种碳点基湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
10.s1利用热蒸发技术在氧化铝衬底上蒸镀一层金；
11.s2利用光刻技术在氧化铝衬底的金层上刻出叉指形状，制备成叉指电极；
12.s3将碳点溶液滴涂在叉指电极上，得到碳点基湿度传感器。
13.进一步地，步骤s3中，碳点溶液的制备方法如下：以柠檬酸、尿素为前驱体，微波加热合成深色固体；将深色固体溶于去离子水，过滤后得到碳点溶液。
14.进一步地，步骤s1中，将清洗后的氧化铝衬底转移到真空蒸发台中，抽真空准备蒸金，蒸镀时间为4-6min。
15.进一步地，步骤s2中，光刻技术的具体方法如下：
16.1)首先将蒸镀完金的氧化铝衬底上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先15-25s，600r/s，之后是45-55s，5000r/s；
17.2)前烘：将旋涂好光刻胶的氧化铝衬底在115℃加热90s；
18.3)光刻：使用紫外光刻机和制备好的掩膜版进行曝光处理，曝光时间为60-100s；
19.4)显影：曝光后在显影液中显影30-60s，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
20.5)后烘：显影完成在115℃加热90s，完成叉指电极的制备。
21.本发明的有益效果：
22.本发明设计的碳点基湿度传感器制备方法简单，性能优异，具有高的灵敏度，良好的稳定性和宽的探测范围。除此之外，碳点具有较大的比表面积和丰富的亲水官能团，表面大量的亲水官能团对水分子的吸附是其高响应的主要原因，此外，碳点制备方法简单，可以大规模制备也是该碳点基湿度传感器的优势。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是碳点基湿度传感器的结构原理图；
25.图2是将器件置于不同湿度下的测试；
26.图3是碳点基湿度传感器的开关稳定性测试；
27.图4是碳点基湿度传感器的长时间稳定性测试；
28.图5为碳点的红外光谱图。
29.其中，图1中，1为衬底层，2为叉指电极，3为碳点层。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.如图1所示，一种碳点基湿度传感器，包括从下到上依次设置的衬底层、叉指电极和碳点层。
33.所述氧化铝衬底切割为1.5
×
1.5cm。金叉指电极的叉指面积为500
×
250μm，叉指间距为5μm。碳点为粒径3-5nm的碳点颗粒，碳点层由碳点水溶液滴涂而成。
34.一种碳点基湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
35.s1利用热蒸发技术在氧化铝衬底上蒸镀一层金，具体方法如下：
36.将准备好的氧化铝衬底切割成适当大小(1.5
×
1.5cm)，然后将双抛的氧化铝衬底分别在去离子水、酒精和丙酮溶液中超声清洗10min；
37.将清洗后的氧化铝衬底转移到真空蒸发台中，抽真空准备蒸金，蒸镀5min后取出样品。
38.s2利用光刻技术在氧化铝衬底的金层上刻出叉指形状，制备成叉指电极，具体方
法如下：
39.1、首先将蒸镀完金的氧化铝衬底上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先20s，600r/s，之后是50s，5000r/s；
40.2、前烘：将旋涂好光刻胶的氧化铝衬底在115℃加热90s；
41.3、光刻：使用紫外光刻机和制备好的掩膜版进行曝光处理，曝光时间为90s；
42.4、显影：将曝光后的样品在显影液中显影40s，出现图案后用去离子水冲洗样品，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
43.5、后烘：将显影完成的样品在115℃加热90s。
44.s3将碳点溶液滴涂在叉指电极上，得到碳点基湿度传感器。
45.所述碳点溶液的制备方法如下：首先取1g柠檬酸，2g尿素，超声溶解于10ml去离子水中，得到混合溶液；将混合溶液转移至微波炉内加热5分钟得到深色固体，深色固体为碳点固体，取出并放至室温；将深色固体溶于去离子水，过滤后得到碳点溶液。
46.将制备的碳点基湿度传感器置于不同湿度条件下进行测试(所用仪器为半导体分析仪，4200)，测试结果如图2所示。从图中可以看到，该碳点基湿度传感器的电流随着相对湿度的升高而增大，即该器件能够以电流值标定湿度，达到湿度传感的目的。
47.碳点基湿度传感器工作原理如下：
48.传感器的湿度传感特性取决于碳点表面对水分子的吸附和解吸。碳点表面吸附的水分子随着湿度的增加而增加，导致其电导率发生变化。其详细机理是：在低湿度条件下，碳点由于具有亲水的表面，如图5所示，易发生水分子的化学吸附，离子迁移困难，导致在低湿度条件下器件的电流低。随着湿度的增加，更多的水分子被物理吸附在碳点表面，形成一个连续的水层，质子在水层内部的运动自由度越来越大，器件的电流也越来越大。
49.碳点基湿度传感器需要测试其稳定性，稳定性包括器件的开关稳定性和长时间稳定性。这两个性能决定了碳点基湿度传感器工作的可靠性。
50.碳点基湿度传感器开关稳定性测试结果如下：
51.开关稳定性将通俗点其实就是器件的可重复性，我们选取了三个不同的湿度环境(58％、75％、94％)测试碳点基湿度传感器的开关稳定性，测试结果如图3所示。当湿度升高时，器件的电流会立即增大，当湿度恢复到初始湿度时，器件的电流也会立即恢复到原来的水平。结果表明，该器件具有可重复的吸收和解吸行为，波动小，具有良好的重复性和可靠性。
52.碳点基湿度传感器长时间稳定性测试结果如下：
53.图4是碳点基湿度传感器在放置30天后的测试结果。可以看出，在一个月的时间里，传感器在不同湿度水平下的电流值几乎保持不变，证明了我们的传感器具有良好的稳定性和耐久性。
54.实施例2
55.本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤s1中，将清洗后的氧化铝衬底转移到真空蒸发台中，抽真空准备蒸金，蒸镀时间为4min。
56.步骤s2中，光刻技术的具体方法如下：
57.1)首先将蒸镀完金的氧化铝衬底上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先15s，600r/s，之后是45s，5000r/s；
58.2)前烘：将旋涂好光刻胶的氧化铝衬底在115℃加热90s；
59.3)光刻：使用紫外光刻机和制备好的掩膜版进行曝光处理，曝光时间为60s；
60.4)显影：曝光后在显影液中显影30s，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
61.5)后烘：显影完成在115℃加热90s，完成叉指电极的制备。
62.实施例3
63.本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤s1中，将清洗后的氧化铝衬底转移到真空蒸发台中，抽真空准备蒸金，蒸镀时间为6min。
64.步骤s2中，光刻技术的具体方法如下：
65.1)首先将蒸镀完金的氧化铝衬底上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先25s，600r/s，之后是55s，5000r/s；
66.2)前烘：将旋涂好光刻胶的氧化铝衬底在115℃加热90s；
67.3)光刻：使用紫外光刻机和制备好的掩膜版进行曝光处理，曝光时间为100s；
68.4)显影：曝光后在显影液中显影60s，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
69.5)后烘：显影完成在115℃加热90s，完成叉指电极的制备。
70.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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。