一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器及其制备方法技术

一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器及其制备方法，属于湿度传感技术领域。是由QCM元件、在QCM元件的电极表面制备的酸化氧化碳纳米管湿敏膜、振荡电路、频率计、计算机、湿度发生装置组成；QCM湿敏元件的引线末端接入到振荡电路的端口处，频率计与振荡电路的输出端相连接，计算机与频率计相连接，湿度发生装置是利用饱和盐法获得相应的相对湿度环境。将QCM湿敏元件放入到相应的湿度发生装置中，湿敏材料会吸附水分子，振荡电路使QCM湿敏元件在其谐振频率附近工作，用频率计测量其在不同相对湿度环境下工作时的频率值，由计算机对数据进行采集，再用相关绘图软件对采集到的数据进行处理并绘制相关的湿度特性曲线。

A QCM type humidity sensor based on acidification and oxidation of carbon nanotubes and its preparation method

A QCM type humidity sensor based on acidification and oxidation of carbon nanotubes and its preparation method, which belong to the field of humidity sensing technology. By the QCM element, the QCM element in the surface of the electrode prepared by acidification of oxidized carbon nanotubes humidity sensitive film, oscillation circuit, frequency meter, computer, humidity generator; QCM humidity sensor wire terminal access to the port oscillator circuit, frequency meter with an output end of the oscillation circuit connection, computer and frequency meter connected, humidity generator is relative humidity corresponding using saturated salt method. The QCM humidity sensor into the corresponding humidity generator, humidity sensitive material adsorbed water molecules, the oscillation circuit of QCM humidity sensor in the vicinity of the resonant frequency is measured in the different conditions of relative humidity when the frequency value of frequency meter, using the computer to data in data acquisition, drawing the software then processes the captured and draw the characteristic curve of relative humidity.

【技术实现步骤摘要】
一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器及其制备方法
本专利技术属于湿度传感
，具体涉及一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器及其制备方法。
技术介绍
湿度是表示大气干燥程度的物理量，空气湿度的检测与人类的生活息息相关，在气象学、生物医学、工农业生产、储藏、建筑、林业等领域都有着重要意义；在日常生活中，环境湿度对人体的健康也有着重要的影响。现在常用的湿度传感器，主要是将环境湿度信号转化成相应可测量的电信号输出，包括电阻、电容和复阻抗等。目前，电阻型湿度传感器应用较为广泛，它是利用湿敏材料吸附不同环境中的水分子，从而引起敏感体复阻抗变化的原理工作的，其阻抗在全湿度量程内一般变化3-4个数量级。但这种湿度传感器存在一些不足：在低湿范围内，由于阻抗较高难以检出；交流下工作，在后续电路配置上带来一些麻烦；产品的互换性较差。石英晶体微天平(QCM)型传感器是一种质量型传感器，它是利用具有AT切型的石英振子，当其表面吸附上其他物质，引起石英振子固有频率变化的原理工作的。科学家Sauerbrey给出了应用于气相中QCM频率的变化量(△f)与吸附物质质量的变化量(△m)的关系式：式中：f0为QCM的固有基频(单位：Hz)，A为QCM电极的有效面积(石英振子两侧电极相重叠部分的面积，单位：cm2)，ρq为石英振子的密度(ρq＝2.648g/cm3),μq为石英振子的剪切模量(μq＝2.947×1011g·cm-1·s-2)。QCM型湿度传感器，通常在QCM元件的电极表面制备一层湿度敏感薄膜，使之构成一个QCM湿敏元件，湿度敏感薄膜对水分子有一定的吸附作用，使QCM元件所吸附物质的质量发生变化，从而引起其固有频率变化，通过检测系统，最终将湿度信号转化成频率信号输出。QCM型传感器具有检测精度高(可达ng级)、灵敏度高、稳定性好、结构简单、可室温下检测等优点。与电阻型湿度传感器相比，QCM型湿度传感器可在直流下工作，在后续的信号传输过程中，直流信号相比于交流信号具有很多优点：不受交流感应的影响，容易解决仪表抗干扰的问题；不受传输线路电感、电容的影响，不存在相位偏移问题，因而接线简单；便于模/数和数/模的转换，仪表便于与数据处理设备、计算机等连接。碳纳米管是一种一维纳米材料，它具有很多优异的特性，如比表面积大、吸附能力强、电学特性优异等，尤其是其对水分子的吸附以物理吸附为主。但未经修饰过的碳纳米管由于具有较大的长径比、较高的表面能，导致其极易缠绕在一起，发生团聚，且分散性较差，几乎不溶于任何溶剂。强酸处理可以对碳纳米管进行化学切割，利用缺陷处产生的活性基团进行化学修饰，在碳纳米管的表面和两端氧化上亲水性基团—羧基(—COOH)。因为碳纳米管材料对水分子的吸附作用以物理吸附为主，与QCM型湿度传感器的工作原理相匹配，而经过酸化氧化处理过的碳纳米管可以更好地分散在溶剂中，形成较为均匀的分散液，使其成为一种可以涂覆在QCM元件上的湿敏材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以酸化氧化碳纳米管为敏感材料的石英晶体微天平(QCM)型湿度传感器及其制备方法。QCM型湿度传感器可在直流下工作，与在交流下工作的电阻型湿度传感器相比，在后续的信号传输过程中，直流信号具有更大的优势。本专利技术以经过酸化氧化处理的单壁或多壁碳纳米管为敏感材料，通过改变敏感材料在QCM电极上的滴涂量，制作了一组QCM湿敏元件，研究了其在室温下的湿敏特性。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器，由QCM元件、在QCM元件的电极表面制备的酸化氧化碳纳米管湿敏膜、振荡电路、频率计、计算机、湿度发生装置(20℃下，饱和盐溶液4％RH～98％RH)组成。本专利技术所述的一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器的制备方法，其步骤如下：(1)清洗QCM元件：将空白的QCM元件依次放入到去离子水和无水乙醇中，分别超声清洗20～30s，然后在40～60℃的真空条件下放置2～4h，待其彻底干燥后取出放在干净的容器中待用；(2)配制敏感材料分散液：称取酸化氧化处理过的碳纳米管加入到溶剂中，混合并超声4～6h制成浓度1～2mg/mL的湿敏材料分散液；(3)制作QCM湿敏元件：采用滴涂法在QCM元件的一个电极表面(QCM的正反面均有电极，可以选择其中一侧电极的表面)制备湿度敏感膜，具体是：将步骤(1)得到的QCM元件水平放置，用微量移液枪(一般选用量程为0.1～10μL)抽取一定基准量(1～2μL)湿敏材料分散液，并垂直悬置于QCM元件电极表面的中心处进行滴涂，然后将滴涂后的QCM元件在40～60℃的真空条件下水平放置2～4h，待表面材料层彻底干燥后取出，从而得到QCM湿敏元件；多次重复此步骤，可以得到不同湿度敏感膜厚度的QCM湿敏元件；如图1(a)所示，QCM湿敏元件由石英振子、电极(金或银)、电极上的湿敏膜、支座、引线、引脚构成；如图1(b)所示，QCM湿敏元件的主体结构是石英振子及其正、反面的电极(金或银)和电极上的湿敏膜。(4)搭建QCM型湿度传感器测试系统：整个系统主要由QCM湿敏元件、振荡电路、频率计、计算机、湿度发生装置组成，如图2所示。将QCM湿敏元件的引脚接入到振荡电路的端口处，频率计与振荡电路的输出端相连接，计算机与频率计相连接，湿度发生装置是利用饱和盐法获得相应的相对湿度环境。(5)湿敏特性的检测：将QCM湿敏元件放入到相应的湿度发生装置中，湿敏材料会吸附水分子，振荡电路使QCM湿敏元件在其谐振频率附近工作，用频率计测量其在不同相对湿度环境下工作时的频率值，由计算机对数据进行采集(一般购买的频率计会附带相应的数据采集软件，安装在计算机上即可使用)，再用相关绘图软件对采集到的数据进行处理并绘制相关的湿度特性曲线，如：感湿特性曲线、湿滞特性曲线、重复性曲线、响应恢复曲线等相关湿度特性曲线。其中，数据的采集过程是：先设置数据采集软件，如采集每个点的时间间隔(一般是1.0s)和总的采集时间；然后开始进行相关数据的采集，最后保存在工作簿里。所采集到的是QCM湿敏元件在不同相对湿度环境中发生谐振(电路的振荡频率等于QCM的固有频率)时的频率值f(Hz)。相关湿度特性曲线的绘制过程是：将采集到的相关数据导入到相关绘图软件中，设置纵坐标和横坐标，最后完成绘图。相关湿度特性曲线的纵坐标可以设置成频率f(Hz)或频率的变化量△f(Hz)，而横坐标：感湿特性曲线的是相对湿度RH(％)；湿滞特性曲线的是相对湿度RH(％)；重复性曲线的是时间t(s)；响应恢复曲线的是时间t(s)。其中，△f＝f-f基准，f基准是在某一相对湿度条件下QCM湿敏元件发生谐振时的频率值，为了使后续数据处理更加简便，一般选用在11％RH下发生谐振时的频率值(这里记为f11)。关于QCM元件的选择：QCM元件的固有基频可以是5～15MHz，比较常见的是5MHz和10MHz；QCM元件的电极一般是金或银电极。关于敏感材料的制备：碳纳米管材料是一定温度条件(50～70℃)下酸化氧化(质量分数95％～98％的浓H2SO4和质量分数60％～65％的浓HNO3)处理的碳纳米管(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)。其步骤是：将未改性的碳纳米管置于体积比为3:1的浓H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器，其特征在于，是由QCM元件、在QCM元件的电极表面制备的酸化氧化碳纳米管湿敏膜、振荡电路、频率计、计算机、湿度发生装置组成；QCM湿敏元件的引线末端接入到振荡电路的端口处，频率计与振荡电路的输出端相连接，计算机与频率计相连接，湿度发生装置是利用饱和盐法获得相应的相对湿度环境。

【技术特征摘要】
1.一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器，其特征在于，是由QCM元件、在QCM元件的电极表面制备的酸化氧化碳纳米管湿敏膜、振荡电路、频率计、计算机、湿度发生装置组成；QCM湿敏元件的引线末端接入到振荡电路的端口处，频率计与振荡电路的输出端相连接，计算机与频率计相连接，湿度发生装置是利用饱和盐法获得相应的相对湿度环境。2.如权利要求1所述的一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器，其特征在于，在QCM元件的电极表面制备的湿敏膜材料是酸化氧化过的碳纳米管，是将未改性的碳纳米管置于体积比为3:1的质量分数95％～98％的浓H2SO4和质量分数60％～65％的浓HNO3体系中，在一定温度50～70℃下油浴搅拌处理1～2h；反应结束后用去离子水稀释并过滤，用去离子水反复洗涤过滤产物至溶液pH呈中性；收集过滤得到的固体，在30～50℃的真空条件下干燥15～30h，得到酸化氧化处理的碳纳米管。3.如权利要求2所述的一种基于酸化氧化碳纳米管的QCM型湿度传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘森，赵晨，张彤，王蕊，齐鹏嘉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22