基于氧化石墨烯的湿度传感器及其制备方法技术

公开一种基于氧化石墨烯的湿度传感器，结构简单，响应时间更短，灵敏度更高。其包括：绝缘基底(1)、金电极(2)、氧化石墨烯薄膜(3)；绝缘基底是平整的，两个平行的金电极真空热蒸镀在绝缘基底上，这三者形成一个绝缘凹槽，在绝缘凹槽的上方设置氧化石墨烯薄膜。还提供了制备方法。备方法。备方法。

【技术实现步骤摘要】
基于氧化石墨烯的湿度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器的
，尤其涉及一种基于氧化石墨烯的湿度传感器，以及该基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]湿度与现代人们的生活息息相关，现有的湿敏材料主要分为无机材料、有机或聚合物材料以及二维材料等，由于无机材料需要极高的加工温度，较难普及。有机或聚合物材料在高湿度条件下溶解度较高，适用范围受到限制。二维材料由于其具有较大的比表面积，可以暴露更多的活性位点而受到研究人员的关注。
[0003]氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)作为石墨烯的衍生材料，由于其具有非常大的比表面积、非常丰富的含氧官能团，很容易吸附水分子，并为水分子提供了大量的吸附点位，此时水分子作为自由电子供体，会导致GO的空穴浓度降低，表现为：随着湿度增大，导致GO薄膜电阻增大。因此，GO可以作为湿度传感器的敏感材料。但是，目前基于GO的湿度传感器，为改善其导电性，会对GO进行还原处理，进而得到还原氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，RGO)，而RGO的含氧官能团大大少于GO，导致显著减少水分子的吸附位点。而且，目前的薄膜型湿度传感器，其敏感薄膜都附着于某种基底上，因此只有薄膜的上表面能与水分子接触，接触面积有限。综合以上因素，导致目前基于电阻变化原理的湿度传感器的响应时间较长，通常为10s～28s左右，灵敏度较低，通常为0％～6％左右。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种基于氧化石墨烯的湿度传感器，其结构简单，响应时间更短，灵敏度更高。
[0005]本专利技术的技术方案是：这种基于氧化石墨烯的湿度传感器，其包括：绝缘基底(1)、金电极(2)、氧化石墨烯薄膜(3)；
[0006]绝缘基底是平整的，两个平行的金电极真空热蒸镀在绝缘基底上，这三者形成一个绝缘凹槽，在绝缘凹槽的上方设置氧化石墨烯薄膜
[0007]本专利技术在结构上只有绝缘基底、金电极、氧化石墨烯薄膜，非常简单；使用未经任何还原处理的氧化石墨烯薄膜作为敏感材料，其具有非常丰富的含氧官能团，为水分子提供了大量的吸附点位，而且，将GO薄膜设置为悬空状态，不附着于任何基底，这样薄膜的上表面、下表面都可与水分子接触，大大增加了接触面积，并且湿度传感器采用了窄沟道(电极间距仅为20微米)，综合以上设计，本专利技术的湿度传感器能够实现快速响应(响应时间为0.45s)、高灵敏度(灵敏度为11％)。
[0008]还提供了基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法，其包括以下步骤：
[0009](1)采用热蒸镀与掩膜结合的方法，利用直径20μm的银丝作为掩膜，沉积形成间距为20μm的一对平行的金电极，从而在平行电极间形成绝缘凹槽；
[0010](2)在绝缘凹槽的上方滴涂氧化石墨烯GO悬浊液，待其干燥成膜，制得基于悬空的
GO薄膜的湿度传感器。
附图说明
[0011]图1为根据本专利技术的基于氧化石墨烯的湿度传感器的结构示意图。
[0012]图2示出了根据本专利技术的基于氧化石墨烯的湿度传感器在不同湿度环境下的响应和恢复曲线。
[0013]图3示出了根据本专利技术的基于氧化石墨烯的湿度传感器对53％RH湿度的响应时间和恢复时间。
[0014]图4示出了根据本专利技术的基于氧化石墨烯的湿度传感器对人的手指的靠近和离开的响应曲线。
[0015]图5示出了根据本专利技术的基于氧化石墨烯的湿度传感器对人体呼吸响应的动态曲线。
[0016]图6为根据本专利技术的基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法的流程图。
具体实施方式
[0017]如图1所示，这种基于氧化石墨烯的湿度传感器，其包括：绝缘基底1、金电极2、氧化石墨烯薄膜3；
[0018]绝缘基底是平整的，两个平行的金电极真空热蒸镀在绝缘基底上，这三者形成一个绝缘凹槽，在绝缘凹槽的上方设置氧化石墨烯薄膜。
[0019]本专利技术在结构上只有绝缘基底、金电极、氧化石墨烯薄膜，非常简单；使用未经任何还原处理的氧化石墨烯薄膜作为敏感材料，其具有非常丰富的含氧官能团，为水分子提供了大量的吸附点位，而且，将GO薄膜设置为悬空状态，不附着于任何基底，这样薄膜的上表面、下表面都可与水分子接触，大大增加了接触面积，并且湿度传感器器件采用了窄沟道(电极间距仅为20微米)，因此能够实现快速响应(响应时间为0.45s)、高灵敏度(灵敏度为11％)。
[0020]本专利技术首次提出了一种将敏感材料置于平行电极间的悬空型结构，利用该结构可提高湿度传感器的性能。利用具有一定厚度的、窄沟道的平行电极之间形成的绝缘凹槽，在绝缘凹槽上滴涂GO成膜，从而形成悬空的GO薄膜器件，这样，GO薄膜既可以在上表面对水分子进行吸附，又能在下表面对水分子进行吸附，实现短时间内水分子的全面吸收，可提高湿度传感器的响应速度和灵敏度，相较与传统的敏感薄膜附着于基底上的湿度传感器的响应速度提升较大。而且，这种悬空型的独特结构，制备简单，成本低廉，在实际应用中具有广阔前景，此外，此悬空结构不仅适用于氧化石墨烯薄膜，也在一定程度上适用于其他薄膜材料，本专利技术提出的利用平行电极搭建的悬空结构，对于发展新型高性能湿度传感器提供了重要的新思路。
[0021]优选地，所述金电极的每个通过银胶连接铜线。这样设计是为了测量GO薄膜的电阻。
[0022]优选地，所述绝缘基底是石英基底。
[0023]如图6所示，还提供了这种基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法，其包括以下步骤：
[0024](1)采用热蒸镀与掩膜结合的方法，利用直径20μm的银丝作为掩膜，沉积形成间距为20μm的一对平行的金电极，从而在平行电极间形成绝缘凹槽；
[0025](2)在绝缘凹槽的上方滴涂氧化石墨烯GO悬浊液，待其干燥成膜，制得基于悬空的GO薄膜的湿度传感器。
[0026]优选地，所述步骤(1)中，取40mm直径为20μm的银丝作为掩膜，将其粘贴在25mm宽的石英片上，用力按压，使银丝与石英片贴合，采用真空热蒸镀的方法沉积金电极，蒸镀完毕后，将银丝取下，得到间距为20μm的绝缘凹槽。
[0027]优选地，所述步骤(1)中，控制沉积电极的厚度为大于100nm。
[0028]优选地，所述步骤(2)中，将单层氧化石墨烯水相分散液分散于去离子水中，通过超声处理得到浓度为2.5mg/mL的GO悬浊液，单层氧化石墨烯水相分散液里的单层氧化石墨烯的尺寸在40
‑
50μm。因为单层氧化石墨烯的尺寸在40
‑
50μm，明显大于绝缘凹槽的尺寸20μm，因此，滴涂GO悬浊液时，GO可以跨于绝缘凹槽上，而不至于掉入凹槽内。
[0029]优选地，所述步骤(2)中，取4μL的GO悬浊液滴涂在绝缘凹槽的上方，静置15分钟待其自然干燥成膜，形成基于悬空的GO薄膜的湿度传感器。
[0030]优选地，该方法还包括：用银胶将金电极与铜线结合，将铜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于氧化石墨烯的湿度传感器，其特征在于：其包括：绝缘基底(1)、金电极(2)、氧化石墨烯薄膜(3)；绝缘基底是平整的，两个平行的金电极真空热蒸镀在绝缘基底上，这三者形成一个绝缘凹槽，在绝缘凹槽的上方设置氧化石墨烯薄膜。2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的湿度传感器，其特征在于：所述金电极的每个通过银胶连接铜线。3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的湿度传感器，其特征在于：所述绝缘基底是石英基底。4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：(1)采用热蒸镀与掩膜结合的方法，利用直径20μm的银丝作为掩膜，沉积形成间距为20μm的一对平行的金电极，从而在平行电极间形成绝缘凹槽；(2)在绝缘凹槽的上方滴涂氧化石墨烯GO悬浊液，待其干燥成膜，制得基于悬空的GO薄膜的湿度传感器。5.根据权利要求4所述的基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，取40mm直径为20μm的银丝作为掩膜，将其粘贴在25mm宽的石英片上，用力按压，使银丝与石英片贴合，采用真空热蒸镀的方法沉积金电极，蒸镀完毕后，将银丝取下，得到间距为20μm的绝缘凹槽。6.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹阳，祝俊怡，陈浩，范波，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：