[发明专利]导电高分子复合纳米纤维声表面波型湿度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电高分子复合纳米纤维声表面波型湿度传感器及其制作方法。

背景技术

化学传感器的研究和应用是当今社会科技发展的重要领域，它对于现代化工农业生产以及人们生存环境的检测和调控等起着十分重要的作用。湿度传感器作为一类重要的化学传感器，也日益受到关注和重视，目前其发展十分迅速。在诸多的湿度材料中，高分子敏感材料研究非常活跃，多种高分子湿度传感器已实现了商品化。但是其也存在着响应灵敏度较低、响应时间较慢，湿滞较大、响应重现性欠佳等不足，阻碍了其研究和广泛应用。

提高敏感材料的响应特性的有效方法之一是实现敏感材料的纳米化。纳米结构材料具有较常规本体材料大得多的比表面积，这一方面可以提供更多的反应活性位点，有助于提高响应的灵敏度，同时也可有利于检测水分子的扩散，从而加快响应和改善可逆性。静电纺丝是一种方便可行地制备纳米及微米级纤维材料的方法，可以用来制备各种单一及复合纳米纤维材料。目前很多高分子聚合物，如聚氧乙烯，聚乙烯醇，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈等都已经成功制备得到纳米纤维。有些无机物也可以通过加入聚乙烯基吡咯烷酮等极易纺丝的聚合物来静电纺丝后通过煅烧去除有机高分子的方法制备得到纳米纤维。静电纺丝的方法制备电子器件及传感器已有不少报道，其中最多是用来制成电阻型和石英晶体微天平型传感器，而声表面波传感器却少见报道。

声表面波器件最早应用于通信领域作为高频滤波器使用，其后由于对表面扰动的特殊敏感性，被广泛应用于传感器领域。最早，声表面波传感器是被认为是一种质量负载型传感器。但后来的研究发现其响应机理远比其他类型的传感器要复杂的多。其灵敏度高、稳定性好、体积小、成本低、易于集成的优点使其得到越来越多的关注和研究。而声表面波器件上的敏感膜要求不能太厚，且分布均匀，否则容易不起振。膜厚一般不能超过波长的1% 。我们所用的声表面波元件叉指间距和叉指宽度为1.9 μm和1.7 μm，可以计算出波长λ为7.2 μm左右。所以膜厚一般不能超过720 nm。传统的成膜手段一般都是选用稀溶液简单的直接滴涂成膜的方法来制备敏感膜，但这种方法的缺点是不能很好的控制敏感膜的膜厚和敏感膜的均匀分布。静电纺丝是一种很成熟又方便的制取聚合物纳米纤维膜的方法，通过调控纺丝条件可以获得直径小且较为均一的纳米纤维，其具有较大的比表面积，为制备高灵敏度的传感器提供可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有响应快、灵敏度高、湿滞小、制备简便等优点的导电高分子复合纳米纤维声表面波型湿度传感器及其制作方法。

导电高分子复合纳米纤维声表面波型湿度传感器是在以ST-切石英晶体为基底材料的声表面波器件表面，沉积有湿敏纳米纤维，湿敏纳米纤维为聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺和聚乙烯醇缩丁醛复合物，聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺中苯乙烯磺酸与苯胺摩尔比为1: 1~6: 1，湿敏纳米纤维中含有尺寸在200~2000 nm的纺锤体。

所述的湿敏纳米纤维的直径为30~800 nm。所述的湿敏纳米纤维的比表面积为3~10 m²/g。

导电高分子纳米纤维声表面波型湿度传感器的制作方法包括以下步骤：

1）配制聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺和聚乙烯醇缩丁醛的N,N-二甲基甲酰胺溶液，其中聚苯胺的浓度为10~40 mg/mL，聚乙烯醇缩丁醛浓度为20~50 mg/mL，聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺中苯乙烯磺酸与苯胺摩尔比为1: 1~6: 1；

2）将步骤1）中配制的溶液装在带针头的注射器里，注射针头和高压电源的阳极相连，高压电源的阴极与铜板相连，铜板上置有以ST-切石英晶体为基底材料的声表面波器件，在注射器针头和铜板之间施加 3~15 kV电源电压，针头和铜板之间的距离 5~15 cm，采用注射泵将注射器中的溶液以0.1~1.0 mL/h的流速挤出，在高压电场作用下将湿敏纳米纤维沉积在声表面波器件表面，沉积时间为5 s~180 s； 

3) 将沉积有聚苯胺复合纳米纤维的声表面波器件在 80~ 120^oC下加热 1~3 小时，即制得导电高分子复合纳米纤维声表面波型湿度传感器。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1.通过调节与纳米纤维复合物的组成，可以有效调控纳米纤维的导电性、亲疏水性和粘弹性，从而通过质量负载效应、粘弹性效应以及声电耦合效应等多方面实现对于声表面波型湿度传感器的响应灵敏度和响应线性度等特性的调节。