[发明专利]基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电阻式相对湿度传感器，具体涉及一种基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器。

背景技术

湿度传感器在生产生活中的众多领域发挥着重要作用，目前湿度传感器的湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。其中湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。上述湿敏电阻生产效率比较低，传统的生产方式很难提高元件的质量，从而影响湿敏传感器的推广应用。石墨烯和碳纳米管均为典型的sp2杂化的碳纳米材料，并且具有特殊的物理性质。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构,是构成其他维数碳材料的基本结构单元。石墨烯具有很高的载流子浓度、迁移率和亚微米尺度的弹道输运特性的弹道输运特性。碳纳米管的多种多样的形状和结构，使其具有许多潜在的应用价值。随着纳米材料研究的深入，石墨烯及碳纳米管复合材料的应用前景也不断的展现出来。然而现有制备技术，需要对石墨烯和碳纳米管进行分步生长或者生长完成后需要对其进行转移，因而极大地限制了石墨烯与碳纳米管复合材料的应用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器。本发明结构简单可靠、成本低、易于实现批量生产，该相对湿度传感器便于携带且在反应时间、一致性、精确度等方面的指标均高于传统方式生产的湿度传感器。采用化学气相沉积法，实现了石墨烯碳纳米管复合材料的直接制备，简化了制备工艺，同时制备的石墨烯碳纳米管的形貌可控并且具有优异的光学及电学特性，而极大地促进的石墨烯碳纳米管复合材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器，包括衬底以及位于衬底上的敏感层，所述敏感层上印刷有一对电极，这一对电极均通过电极引线连接至欧姆表；所述敏感层为石墨烯碳纳米管复合材料，所述石墨烯碳纳米管复合材料通过化学气相沉积法直接沉积于衬底上。

所述衬底为未抛光的石英片。

上述电阻式相对湿度传感器的制备方法，具体步骤如下：

1）将催化金属箔片和衬底放入反应炉中，在800～1200℃范围内对催化金属箔片以及衬底表面退火处理，向反应炉内通入碳源气体，通过化学气相沉积法使得衬底表面直接生长石墨烯纳米管复合材料；

2）在表面沉积有石墨烯碳纳米管复合材料的衬底上，印刷电极I和电极II，并将电极I和电极II连接至欧姆表。

所述步骤1）的具体方法是：

11）将催化金属箔片置于反应炉的恒温区域，衬底置于反应炉的炉尾区域；

12）将反应炉内的气压抽至极限真空状态1.33×10^-4～3.99×10^-4Pa，保持真空状态15～40分钟后，将石英管内的气压升至0.133～0.399Pa，注入氢气，其流量控制在50～100mL/min.；反应炉达到设定温度后，恒温20～60分钟，退火；

13）向抽真空的反应炉内通入碳源气体，通过化学气相沉积法使得衬底表面直接生长石墨烯纳米管复合材料；

14）生长完成后，冷却至室温，取出长有石墨烯碳纳米管复合材料的衬底。

所述催化金属箔片为铜箔或镍箔，所述衬底为未抛光的石英片。

所述碳源气体为甲烷，其流量控制在50～300mL/min.。

所述石墨烯碳纳米管复合材料的生长时间控制在30～180分钟。

所述反应炉包括管式炉以及与其配套的石英管，所述石英管的一侧通过真空计分别与氢气流量计和碳源气体流量计连接，氢气流量计和碳源气体流量计分别与氢气和碳源气体气瓶连接；另一侧通过阀门与真空泵连接。

本发明的有益效果是，衬底采用未抛光的石英片，敏感层采用石墨烯碳纳米管复合材料，整个湿度传感器的工艺流程简单可靠、成本低、易于实现批量生产。本发明通过化学气相沉积法将石墨烯碳纳米管复合材料一步直接生长于衬底表面，省去不必要的转移环节，由此制备的石墨烯碳纳米管复合材料具有优异的电学及光学性质，从而极大地促进的石墨烯碳纳米管复合材料的应用。石墨烯碳纳米管复合材料独特的结构使得基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器相比传统湿度传感器更加微型化，在反应时间、一致性、精确度等方面的指标均高于传统方式生产的湿度传感器。

附图说明