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一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺制造技术

技术编号:44093549 阅读:11 留言:0更新日期:2025-01-21 12:28
一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于使用了二硫化钨与氧化石墨烯量子点的混合分散液作为湿度敏感薄膜,通过控制二硫化钨与氧化石墨烯量子点的体积比例来获得最佳的响应恢复时间与高灵敏度。敏感材料与基底上的叉指电极相连接,当外界湿度条件发生变化时,敏感材料会发生相应的电阻变化,检测相应的电阻变化即可相应地检测外界湿度的变化。本发明专利技术制备工艺简单,制备过程中可以做到无人值守;并且本发明专利技术所述的电极制备方式可以普遍应用于多种不同材料的基底,包括柔性与硬质基底;同时本发明专利技术所述的集成技术快速简便,与传统的湿度传感器制备工艺相兼容,产率与良率较高,有潜力实现规划化制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及二维材料、量子点与传感器领域,尤其涉及一种快速响应和高灵敏度的量子点和二维材料复合薄膜电阻型湿度传感器及制备工艺。


技术介绍

1、湿度传感器可以测量空气中的水蒸气含量,在工业生产、医疗保健、环境监测、航空航天等众多领域有着广泛的应用。柔性湿度传感器可以贴在皮肤表面进行湿度传感和呼吸监测,具有伸展灵活、可折叠便携、稳定性好、灵敏度高等优点。

2、现有的湿度传感器类型主要包括电阻式、电容式、压阻式等。随着我国互联网和人工智能的发展,传感器作为机器人中最前端的信号获取部分,一直以来都是最重要的研究方向。现有湿度传感器大多难以同时具备快速响应与高灵敏度的特点,存在制备工艺复杂、稳定性差的问题。因此研究制备一种工艺简单、高灵敏度和快速响应的柔性湿度传感器具有重要意义。

3、二维材料是电子仅可在两个维度的纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料,其电子和热运动主要在一个平面内进行,因而展现出独特的物理和化学特性。这些材料通常具有高表面积、优异的机械强度、高电子迁移率和特殊的光学性质。由于其维度的受限,二维材料表现出量子限域效应,导致它们在电学、光学和热学性能上与传统三维材料有显著不同,这些特性使得二维材料在纳米电子学、光电子学、能源存储、催化和生物医学工程等领域具有广泛的应用潜力。二维材料因其超薄的厚度和优异独特的机械与电学特性,使其非常适合用于超小尺度的纳米机电传感器中作为敏感薄膜。与传统的敏感薄膜相比,二维材料具有更高的敏感度,并能在极端环境下如超低压、高温或低温条件下保持稳定的检测性能。它们的应用非常广泛,包括但不限于压力传感器、加速度传感器、湿度传感器、二氧化碳气体传感器、谐振器和麦克风等设备。

4、然而,当前对于二维材料及其器件的制备工艺较为复杂,并且存在成品率低、良率差的问题,无法进行大规模标准化生产。单独的二维材料在很难同时达到多种不同的性能要求如同时具备快速响应与高灵敏度,并且未经处理的二维材料有可能出现重复性与稳定性都较差的情况。

5、二硫化钨作为二维材料中的一种,具有很高的电子迁移率和电流开关率,同时由于其具有丰富的表面活性位点,对于湿度具有良好的响应性能,然而,未经处理的纯二硫化钼对于湿度响应的可重复性较差,这是因为纯的二硫化钨在快速变化的湿度环境中容易达到饱和状态。

6、氧化石墨烯量子点是一种以氧化石墨烯为基础的尺度在10nm左右的材料,具有高比表面积和较多的含氧基团,能够提升二维材料的湿度传感特性。然而纯氧化石墨烯制备而成的湿度传感器存在电阻过大的现象,这可能和氧化石墨烯量子点导电性较差有关。

7、现有技术中,多半通过向二维材料中引入石墨烯衍生物来进行敏感材料的改良。jha 等人(jha r k, burman d, santra s, et al. ws2/go nanohybrids for enhancedrelative humidity sensing at roomtemperature[j]. ieee sensors journal, 2017,17(22): 7340–7347.)开发了一种基于 ws2/go 复合薄膜的高灵敏度电阻式湿度传感器,go 具有更多的缺陷位点和富氧基团,因此可以增强湿度传感器的性能。其在60%相对湿度环境下响应时间为25s,恢复时间为29s。

8、然而,这种方式制作的传感器拥有较长的相应时间和恢复时间,难以满足快速检测湿度的需要。

9、zhang等人(zhang l, tan q, wang y, et al. wirelessly powered multi-functional wearable humidity sensor based on rgo-ws2heterojunctions[j].sensors and actuators b: chemical, 2021, 329: 129077.)提出了一种基于还原氧化石墨烯(rgo)和二硫化钨异质结的湿度传感器,但其稳定性较差。

10、专利申请号2024104436051题为“一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器及其制备方法”的专利公布了一种基于氧化石墨烯和二硫化钼复合薄膜的电阻型湿度传感器,灵敏度较低为98%,但仍然不能达到高精测量要求。

11、因此,有必要设计一种新的湿度传感器,使其能够兼顾快速响应与高灵敏度的性能,来达到更高的要求。


技术实现思路

1、本专利技术的目的在于克服现有技术之缺陷,提供一种快速响应和高灵敏度的工艺简便的湿度传感器。

2、本专利技术提供了一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,,其特征在于使用了二硫化钨与氧化石墨烯量子点的混合分散液作为湿度敏感薄膜,通过控制二硫化钨与氧化石墨烯量子点的体积比例来获得最佳的响应恢复时间与高灵敏度。敏感材料与基底上的叉指电极相连接,当外界湿度条件发生变化(如湿度增加)时,敏感材料会发生相应的电阻变化(如电阻降低),检测相应的电阻变化即可相应地检测外界湿度的变化。

3、进一步地,所述敏感材料包括二硫化钼 (mos2)、石墨烯(graphene)及其衍生物、二硒化钼 (mose2)、六方氮化硼 (h-bn)、二硒化钨 (wse2)、二硫化钨 (ws2)、二硒化铂(ptse2)、二碲化钼(mote2)、二碲化钨(wte2)、二硒化钒(vse2)、二硫化铬(crs2)、二硒化铬(crse2)、过渡金属二硫属化物(tmdc)、黑磷(p)、mxene,及量子点类的材料如石墨烯量子点,氧化石墨烯量子点,还原石墨烯量子点,氮化硼量子点,硅量子点,碳量子点,硫量子点,c3n量子点,磷量子点,过渡金属二硫属化物量子点(如二硫化钨量子点,二硫化钼量子点,硒化钼量子点,硒化钨量子点,二硫化钛量子点,二硫化钽量子点,二硫化锆量子点,三元合金tmdcs量子点等)。

4、进一步地,所述叉指电极的基底包括氧化物基底、pet/pi柔性基底、硅基底、soi基底、碳材料基底。

5、进一步地,所述叉指电极材料包括金、银、铜、铝、钛及其复合物。

6、进一步地,所述叉指电极的叉指对数可以是一到十对。

7、进一步地,所述敏感材料位置可以在电极与基底之间,也可以在电极与基底之上。

8、进一步地,所述敏感材料的集成方式可以是滴涂法、喷淋法。

9、进一步地,所述湿度传感器的数量包括1个及数个或更多,如数个湿度传感器串联或并联。所述湿度传感器包括其敏感结构与接口测试电路板的集成,同时也包括湿度传感器敏感结构与高性能接口电路(如asic或cmos)。

10、本专利技术的有益效果是:

11、1.相较于传统方法,本专利技术所述的敏感材料的制备工艺简单,制备过程中可以做到无人值守;并且本专利技术所述的电极制备方式可以普遍应用于多种不同材料的基底,包括柔性与硬质基底;同时本专利技术所述的集成技术快速简便,与传统的湿度传感器制备工艺相兼容,产率本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,所述湿度传感器包括基于敏感薄膜的湿度传感器敏感结构与高性能接口电路集成,所述湿度传感器的工艺流程需分别制备敏感薄膜和叉指电极,最后制作成所述湿度传感器,所述叉指电极由自定义图案化的丝网模板定义其叉指对数与面积大小,使用刮板将导电材料均匀刮涂在基底上,基底经过加热台120℃加热20分钟后固化而成,其特征在于:所述敏感薄膜为二维材料和量子点溶液混合,再以如下步骤制备:

2.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于,所述敏感薄膜的制备步骤S2,以35℃恒温超声分散60分钟。

3.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于所述敏感薄膜的二维材料包括二硫化钼 (MoS2)、石墨烯(graphene)及其衍生物、二硒化钼 (MoSe2)、六方氮化硼 (h-BN)、二硒化钨 (WSe2)、二硫化钨 (WS2)、二硒化铂(PtSe2)、二碲化钼(MoTe2)、二碲化钨(WTe2)、二硒化钒(VSe2)、二硫化铬(CrS2)、二硒化铬(CrSe2)、过渡金属二硫属化物(TMDC)、黑磷(P)、MXene。

4.根据权利要求3所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于所述敏感薄膜的量子点溶液材料包括石墨烯量子点,氧化石墨烯量子点,还原石墨烯量子点,氮化硼量子点,硅量子点,碳量子点,硫量子点,C3N量子点,磷量子点,过渡金属二硫属化物量子点。

5.根据权利要求4所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于所述过渡金属二硫属化物量子点包括二硫化钨量子点,二硫化钼量子点,硒化钼量子点,硒化钨量子点,二硫化钛量子点,二硫化钽量子点,二硫化锆量子点,三元合金TMDCs量子点。

6.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于所述湿度传感器的电极材料包括金、银、铜、铝、钛及其复合物;所述叉指电极的基底包括氧化物基底、PET/PI柔性基底、硅基底、SOI基底、碳材料基底。

7.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于所述叉指电极的叉指对数至少一对;所述敏感薄膜材料的位置可以在电极与基底之间,也可以在电极与基底之上;所述湿度传感器的敏感材料集成方式可以使用滴涂法、喷淋法。

8.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器,其特征在于所述湿度传感器的数量至少一个,多个传感器功能结构可串联或并联。

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【技术特征摘要】

1.一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,所述湿度传感器包括基于敏感薄膜的湿度传感器敏感结构与高性能接口电路集成,所述湿度传感器的工艺流程需分别制备敏感薄膜和叉指电极,最后制作成所述湿度传感器,所述叉指电极由自定义图案化的丝网模板定义其叉指对数与面积大小,使用刮板将导电材料均匀刮涂在基底上,基底经过加热台120℃加热20分钟后固化而成,其特征在于:所述敏感薄膜为二维材料和量子点溶液混合,再以如下步骤制备:

2.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于,所述敏感薄膜的制备步骤s2,以35℃恒温超声分散60分钟。

3.根据权利要求1所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型湿度传感器的制备工艺,其特征在于所述敏感薄膜的二维材料包括二硫化钼 (mos2)、石墨烯(graphene)及其衍生物、二硒化钼 (mose2)、六方氮化硼 (h-bn)、二硒化钨 (wse2)、二硫化钨 (ws2)、二硒化铂(ptse2)、二碲化钼(mote2)、二碲化钨(wte2)、二硒化钒(vse2)、二硫化铬(crs2)、二硒化铬(crse2)、过渡金属二硫属化物(tmdc)、黑磷(p)、mxene。

4.根据权利要求3所述的一种快速响应和高灵敏度的电阻型...

【专利技术属性】
技术研发人员:范绪阁王嘉雨丁洁
申请(专利权)人:北京理工大学
类型:发明
国别省市:

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