[发明专利]一种核壳结构微纳材料湿度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器制造技术领域，具体地说是一种核壳结构微纳材料湿度 传感器及其制备方法。

背景技术

纳米粒子是指尺度在1～100nm的颗粒。研究表明纳米材料的物理与化学性 质不同于宏观的材料。金属和半导体纳米粒子因其在光、电、催化、化学传感 以及未来纳米存储器件等方面独特的特性日益受到人们的关注，对其在科学和 应用领域的研究是目前科学研究中的热点。近些年来，随着研究的深入，很多 的技术被确立用来合成和表征纳米颗粒，而且有大量的纳米结构被运用或实现。 如何将这些纳米结构的材料合成到器件上和如何在实际的应用中采用这些材料 将是纳米技术的下一个发展阶段，纳米结构材料的应用将是未来的焦点。

在采用纳米结构材料作为敏感元件构造电学传感器时，通常需要将作为传 感材料的纳米结构排布或跨接在两电极之间，以便利用将其特性随测量对象的 变化以电信号的形式传出。所以有选择地将特定的敏感材料放置于电极之间， 以对特定的检测对象产生电学反应，是当前新型传感器研究的重点。

传统上，特殊气体的传感器制作较为困难，主要原因在于很难寻找特定的 敏感材料，而且对于敏感材料也不易控制。目前已公开的技术资料中有大量的 传感器的制作方法，以及各式各样的针对不同检测对象的传感器，主要归纳如 下：

第一种是传统的湿度或气体传感器，将传统的特定的敏感材料将涂布或附 着在做好电极的衬底上，然后烘干，会有部分材料置于电极之间，而形成传感 器。这种方法被广泛应用，并可大量商业化生产。但其主要的问题在于器件尺 寸较大，集成度低，而且响应时间缓慢，稳定性较差。

第二种是称之为“新型的”传感器，首先用特别的化学或者物理方法形成 很小尺度的敏感物质，一般在微纳级别，然后用特定的方法在硅衬底上制作同 在微纳级别的电极，从而形成传感器。这种传感器体积小，集成度高，电学特 性好，问题是成本较高，电极间敏感材料的分布不均匀。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种核壳结构微纳材料湿 度传感器及其制备方法，它采用一种金属-聚合物的核壳结构材料涂覆于传感 器的电极间，使敏感材料的分布更均匀，大小均一，稳定性好，解决了传统材 料团聚的问题，传感器的电学特性能进一步提高，而且集成度高，体积小，生 产成本低，无污染。

实现本发明目的的具体技术方案是：一种核壳结构微纳材料湿度传感器， 特点是它以高分子聚合物将金属纳米颗粒整体包覆后形成一种核壳结构的微 纳材料均匀涂覆于硅片表面，然后做上电极进行封装，制得核壳结构的微纳材 料湿度传感器。

所述聚合物为对湿度敏感的聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚苯乙烯的高分 子聚合物。

所述金属纳米颗粒为金、银、铜或铝采用醇还原法，柠檬酸钠还原法，硼 氢化钾还原法制得金属纳米颗粒溶液。

一种核壳结构微纳材料湿度传感器的制备方法，特点是该方法以金属-聚 合物的核壳结构材料涂覆于硅片表面，然后做上电极进行封装而成，具体制作 包括以下步骤：

(一)金属纳米颗粒溶液的制备

采用柠檬酸钠还原法、醇还原法或硼氢化钾还原法将金、银、铜或铝还原 成金属纳米颗粒的溶液，以作为放大电学量的载体备用；

(二)聚合物溶液的制备

采用对湿度敏感的聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚苯乙烯与水按1∶20的 质量比配制成相应的聚合物溶液备用；

(三)硅片的表面氧化处理

a、将硅片放入硫酸与双氧水按体积比为3∶1配制的溶液中清洗10min， 其硫酸浓度为98％，双氧水浓度为30％；

b、将上述硅片取出，用去离子水中清洗；

c、将上述清洗后的硅片放入浓度为99.7％的乙醇溶液中浸泡10min；

d、将硅烷耦联剂或1，6-己二硫醇加入到99.7％的乙醇溶液中，配置成1mM 的溶液，搅拌均匀后加热至沸腾，然后放入上述硅片在沸腾的溶液中浸泡45 min；

e、将上述硅片取出，用浓度为99.7％的乙醇溶液浸泡10min，以去除多余 的硅烷耦联剂或1，6-己二硫醇；

f、将上述硅片用去离子水清洗，然后放入100℃的烘干机上烘干待用。

(四)硅片的涂覆和封装