一种用于快速响应湿度变化的电气柜制造技术

本发明专利技术公开了一种用于快速响应湿度变化的电气柜，通过在电气柜的柜体外部安装湿敏传感器模块，使得该电气柜在使用过程中，能够检测周围环境中湿度的变化，对该电气柜起到很好的保护作用；该湿敏传感器模块从传感器的敏感材料、制作条件、结构等多方面进行创造性的设计，使其灵敏度大大提高，测试重复性良好，产生了意想不到的技术效果，具有很大的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气柜领域，更具体涉及一种用于快速响应湿度变化的电气柜。
技术介绍
电气柜是由钢材质加工而成用来保护元器件正常工作的柜子。电气柜制作材料一般分为热轧钢板和冷轧钢板两种。电气柜用途广泛主要用于化工行业，环保行业，电力系统，冶金系统，工业，核电行业，消防安全监控，交通行业等等由于电气柜属于电学装置，其工作环境周边水蒸气会对设备造成腐蚀等影响，然而，现有电气柜产品一般不具备对其周边环境水蒸气的检测功能。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的问题，提供一种用于快速响应湿度变化的电气柜。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种用于快速响应湿度变化的电气柜，其特征在于，所述电气柜的柜体外部安装有湿敏传感器模块，电气柜属于电学装置，其工作周边环境中湿度会对其产生很大影响，严重者会导致人员、财产等损失，该湿敏传感器模块基于碳纳米管，能够快速检测周边环境中水蒸气的含量，对电气柜的正常工作起到保护和预警作用。该湿敏传感器模块包括从下到上依次布设的重掺杂硅片、紧贴重掺杂硅片的SiO2层、碳纳米管层、位于SiO2层间的下电极和位于碳纳米管层上的上电极，所述碳纳米管层生长于SiO2层上；所述下电极上有金属薄膜，所述金属薄膜从内到外依次为具有黏附性的Cr层、导电导热的Cu层和作为电极层的Au层，所述Cr层、Cu层和Au层的厚度依次为85nm、240nm和500nm；所述碳纳米管层采用催化剂和/或光刻法实现其定域生长，生长后的所述碳纳米管层采用等离子体使其产生羟基修饰，碳纳米管层在等离子体羟基修饰之前经过了加入微量钨粉的醋酸和双氧水混合溶液的处理；所述金属薄膜的表面紧贴有感测细菌生长的细菌酶膜层，该细菌酶膜层与金属薄膜一起形成感测水分的细菌湿敏感测器；所述下电极和上电极上连接有一个用于和客户端通信连接的微控处理器。优选地，所述湿敏传感器的制作包括以下步骤：S1：SiO2层制作：取所述重掺杂硅片，将其放入管式炉中，按照10℃/min的速率升温到500℃，保温12h，然后自然冷却至室温，即可在重掺杂硅片表面形成SiO2层；S2：下电极制作：将步骤S1中制得的有SiO2层的重掺杂硅片依次使用丙酮、乙醇、去离子水清洗15min后烘干，在其表面旋涂光刻胶，使用下电极掩模版对其曝光，120℃烘干2min后显影、烘干，在CHF3气氛下干法刻蚀SiO2层，刻蚀30min，将刻蚀SiO2层清洗后的重掺杂硅片放入磁控溅射仪中，在低于1.5×10-3pa真空下依次磁控溅射Cr层、Cu层和Au层；将磁控溅射好Cr层、Cu层和Au层的下电极(1)表面固定上细菌酶膜，然后清洗光刻胶；所述重掺杂硅片的尺寸大小为2cm×2cm；S3：气喷催化剂薄膜，步骤如下：a.使用Fe/Ni纳米粒子作为碳纳米管生长的催化剂，首先，对带有下电极的重掺杂硅片旋涂光刻胶，采用催化剂的定域掩模版对其进行曝光，然后经过显影，清洗备用；b.配制催化剂Fe/Ni的分散液：分别称取200mg、50mg的Fe纳米粒子和Ni纳米粒子，将其加入60ml的98％H2SO4和40ml的69％的HNO3混合溶液中，在80℃水浴中超声3h，然后用去离子水清洗后过滤，得到干燥的Fe/Ni混合纳米粒子，然后称取100mg的Fe/Ni纳米粒子，加入500ml的去离子水中，充分搅拌后得到Fe/Ni混合纳米粒子的分散液；c.使用高纯氮气作为气喷载体，调节喷笔与重掺杂硅片之间的水平和垂直距离，使分散液的溶剂到达基片上时刚好挥发为准，气喷5次，每次气喷20s，使形成一层均匀的厚度约为20nm的催化剂Fe/Ni的混合纳米粒子薄膜；S4：CVD法生长碳纳米管：碳纳米管反应气源为CH4和H2的混合气体，首先将带有图案化催化剂粒子的重掺杂硅片进行清洗，去除光刻胶，放入反应腔中；然后抽真空，达到真空要求后通入氢气，施加微波使反映腔中产生等离子体；加热衬底使其达到一定的温度并保持40min，通入甲烷气体，此时碳纳米管开始生长；在生长过程中腔中真空度保持不变；经过10min左右，关闭微波源和射频加热器，停止通入甲烷气体，关闭氢气，通入氩气，取出重掺杂硅片的衬底，得到图案化的碳纳米管；S5：等离子体处理碳纳米管：a.首先将40ml的60％醋酸和20ml的10％的双氧水放入烧杯，充分混合，在其中加入微量钨粉，然后将生长有图案化碳纳米管的重掺杂硅片的衬底放入，静置2h；b.把生长有碳纳米管的重掺杂硅片的衬底送进等离子体发生器中，抽真空至1.0×10-1pa以下，然后以惰性气体N2为载气，将反应物氨水随N2气流带入仪器中，使气流流速稳定在20mL/min，等待1h，打开功率源，调节至50W，仪器中产生辉光，在等离子体作用下，气体分子价键被破坏，大量羟基产生，碳纳米管在醋酸和双氧水的环境中经过钨粉的作用，碳纳米管被产生的羟基修饰，等离子体处理30min后，关闭功率源，取出衬底；S6：制备上电极：将步骤S1～S5中得到的重掺杂硅片用臭氧清洗20min，覆盖上电极的陶瓷掩模版，然后将重掺杂硅片放入磁控溅射仪中，在低于1.5×10-3pa真空下溅射具有Au层的上电极，其中，Au层的厚度约200nm；S7：焊接封装：分别用引线使上电极和下电极连接，对所述湿敏传感器进行封装，并把数字电桥与碳纳米管电容式湿敏传感器焊接，数字电桥用来读取在湿度变化环境下湿敏传感器的电容变化，以此来标定水蒸气浓度。优选地，步骤S2中旋涂光刻胶的参数如下设置：低速900rpm，15s；高速3500rpm，50s。本专利技术的有益之处在于：(1)本专利技术的实施例所提供的一种用于快速响应湿度变化的电气柜，在电气柜的柜体外部设置有湿敏传感器，该湿敏传感器为电容式湿敏传感器，下电极与重掺杂硅片、上电极与碳纳米管均形成欧姆接触；下电极与硅片相连并与上电极形成电容的两个极板，SiO2层与碳纳米管为电容之间的介质，当器件所处环境湿度发生变化时，水蒸气分子与碳纳米管相互作用，导致碳纳米管的电学性质变化，即电容的介电常数变化，因此从输出结果可以监测环境的湿度变化。并且该湿敏传感器灵敏度高，响应时间短，制作过程简单，实验工艺的可重复性高，易于批量生产。(2)本专利技术的实施例所提供的一种用于快速响应湿度变化的电气柜，所采用的湿敏传感器，对生长后的碳纳米管进行等离子体处理，使碳纳米管修饰上羟基基团，由于其对水分子强相互作用，促进碳纳米管对水蒸气的吸附作用，进而增大了碳纳米管的湿敏性能，并且在其电极上紧贴有感测细菌生长的细菌酶膜层，该细菌酶膜层与金属薄膜一起形成感测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于快速响应湿度变化的电气柜，其特征在于，所述电气柜的柜体外部安装有湿敏传感器模块，该湿敏传感器模块包括从下到上依次布设的重掺杂硅片(1)、紧贴重掺杂硅片(1)的SiO2层(2)、碳纳米管层(4)、位于SiO2层(2)间的下电极(3)和位于碳纳米管层(4)上的上电极(5)，所述碳纳米管层(4)生长于SiO2层(2)上；所述下电极(3)为金属薄膜，所述金属薄膜从内到外依次为具有黏附性的Cr层、导电导热的Cu层和作为电极层的Au层，所述Cr层、Cu层和Au层的厚度依次为85nm、240nm和500nm；所述碳纳米管层(4)采用催化剂和/或光刻法实现其定域生长，生长后的所述碳纳米管层(4)采用等离子体使其产生羟基修饰，碳纳米管层(4)在等离子体羟基修饰之前经过了加入微量钨粉的醋酸和双氧水混合溶液的处理；所述金属薄膜的表面紧贴有感测细菌生长的细菌酶膜层，该细菌酶膜层与金属薄膜一起形成感测水分的细菌湿敏感测器；所述下电极(3)和上电极(5)上连接有一个用于和客户端通信连接的微控处理器。

【技术特征摘要】
1.一种用于快速响应湿度变化的电气柜，其特征在于，所述电气柜的柜体外部安装有湿
敏传感器模块，该湿敏传感器模块包括从下到上依次布设的重掺杂硅片(1)、紧贴重掺杂硅
片(1)的SiO2层(2)、碳纳米管层(4)、位于SiO2层(2)间的下电极(3)和位于碳纳米
管层(4)上的上电极(5)，所述碳纳米管层(4)生长于SiO2层(2)上；所述下电极(3)
为金属薄膜，所述金属薄膜从内到外依次为具有黏附性的Cr层、导电导热的Cu层和作为电
极层的Au层，所述Cr层、Cu层和Au层的厚度依次为85nm、240nm和500nm；所述碳
纳米管层(4)采用催化剂和/或光刻法实现其定域生长，生长后的所述碳纳米管层(4)采用
等离子体使其产生羟基修饰，碳纳米管层(4)在等离子体羟基修饰之前经过了加入微量钨粉
的醋酸和双氧水混合溶液的处理；所述金属薄膜的表面紧贴有感测细菌生长的细菌酶膜层，
该细菌酶膜层与金属薄膜一起形成感测水分的细菌湿敏感测器；所述下电极(3)和上电极(5)
上连接有一个用于和客户端通信连接的微控处理器。
2.根据权利要求1所述的一种用于快速响应湿度变化的电气柜，其特征在于，所述湿敏
传感器的制作包括以下步骤：
S1：SiO2层制作：取所述重掺杂硅片(1)，将其放入管式炉中，按照10℃/min的速率
升温到500℃，保温12h，然后自然冷却至室温，即可在重掺杂硅片(1)表面形成SiO2层
(2)；
S2：下电极制作：将步骤(1)中制得的有SiO2层(2)的重掺杂硅片(1)依次使用丙酮、
乙醇、去离子水清洗15min后烘干，在其表面旋涂光刻胶，使用下电极掩模版对其曝光，120℃
烘干2min后显影、烘干，在CHF3气氛下干法刻蚀SiO2层(2)，刻蚀30min，将刻蚀SiO2层(2)清洗后的重掺杂硅片(1)放入磁控溅射仪中，在低于1.5×10-3pa真空下依次磁控溅
射Cr层、Cu层和Au层；将磁控溅射好Cr层、Cu层和Au层的下电极(1)表面固定上细
菌酶膜，然后清洗光刻胶；所述重掺杂硅片(1)的尺寸大小为2cm×2cm；
S3：气喷催化剂薄膜，步骤如下：
a.使用Fe/Ni纳米粒子作为碳纳米管(4)生长的催化剂，首先，对带有下电极(3)的重
掺杂硅片(1)旋涂光刻胶，采用催化剂的定域掩模版对其进行曝光，然后经过显影，清洗备
用；
b.配制催化剂Fe/Ni的分散液：分别称取200mg、50mg的Fe纳米粒子和Ni纳米粒子，
将其加入60ml的98％H2SO4和40ml的69％的HNO3混合溶液中，在80℃水浴中超声3
h，然后用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超坤，
申请(专利权)人：杨超坤，
类型：发明
国别省市：浙江;33