[发明专利]湿度传感单元、湿度传感器及其应用

说明书

本发明涉及一种湿度传感单元、湿度传感器及其应用。所述湿度传感单元，其包括纳米光栅以及层叠于所述纳米光栅表面的吸湿材料层；所述纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。该湿度传感单元具备非常高的灵敏度和相对简单的制作成本，可以广泛应用到实际的湿度传感检测中。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种湿度传感单元、湿度传感器及其应用。

背景技术

许多工业过程，如制药、汽车和食品储存等都会受到空气湿度的严重影响。此外，湿度的控制对人体的舒适和健康也是必不可少的。因此，连续湿度监测在工业、医疗保健和智能家居等领域具有重要的应用前景。为了满足这些特殊的应用，理想的湿度传感器不仅要求具有高灵敏度、快速可靠的响应性能，而且需要控制成本、易于制备。

传统的湿度传感器一般是基于电读出，即监测水分敏感元件在吸水/脱水过程中的电响应(即电阻、电容或电流)变化。该方法具有响应速度快、灵敏度高、迟滞小等优点。然而，也存在着一些问题，如它们往往无法在恶劣的环境中工作，也无法迅速从饱和状态恢复。与电传感器相比，光学传感器由于具有遥感能力和抗电磁干扰能力，可以克服这些局限性。

湿敏材料，如陶瓷和聚合物，可以以可逆的方式从空气中吸收/释放大量的水分。这一过程导致了湿敏材料在结构、机械、电学和光学特性等方面的变化，可用于检测相对湿度。迄今为止，在传感机理方面，已经成功开发出三种不同设计理念的光学湿度传感器。

第一种方法是利用湿敏涂层吸水后局域折射率的变化。大多数这种类型的湿度传感器是基于集成了湿敏涂层的光纤。但是由于光纤中构造传感结构的复杂性，这种光纤传感器的制备工艺比较复杂，结构相对脆弱，并且操作不便，导致应用成本较高。

第二种方法是利用湿敏材料的杨氏模量随湿度的变化。这种湿度传感器通常由可拉伸基底上的湿敏聚合物薄膜构成。聚合物薄膜吸湿前后在溶胀应力的作用下从光滑表面过渡到起皱表面来实现光学可调性。例如，PVA/PDMS双层膜的透射调制深度从15％到90％不等，快速响应时间在1s以内。然而，由于从平滑到褶皱过渡过程中透射变化的非线性，测量湿度时，其湿度传感具有非常有限的线性动态范围。因此，该方案优选用于构建湿度报警器而不是检测器，并且不适用于监测环境相对湿度或其它定量的湿度传感应用。

第三种是依赖于湿敏材料薄膜的溶胀(通常是厚度变化)。例如银-壳聚糖-银多层膜构成的FP腔型湿度传感器。在这种结构中，FP模的谐振波长由有效腔长决定，而有效腔长由壳聚糖的厚度决定(反射指数变化的影响很小)。遗憾的是，由于顶层银膜的阻隔，水分很难渗透到壳聚糖层中，导致实际应用的响应时间达1500秒左右。

到目前为止，很少有光学传感器能够表现出比电学传感器更好的湿度传感性能，如灵敏度、制作成本等方面。

发明内容

基于此，本发明提供一种湿度传感单元、湿度传感器及其应用。该湿度传感单元具备非常高的灵敏度和相对简单的制作成本，可以广泛应用到实际的湿度传感检测中。

本发明的一方面，提供一种湿度传感单元，其包括纳米光栅以及层叠于所述纳米光栅表面的吸湿材料层；

所述纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。

在其中一个实施例中，所述纳米光栅为周期性纳米阵列，选自一维纳米槽阵列和二维纳米孔洞阵列中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述纳米光栅的周期为300nm～2000nm。

在其中一个实施例中，所述纳米光栅的凹槽深度或孔洞深度为50nm～1000nm。

在其中一个实施例中，所述纳米光栅的凹槽宽度或孔洞直径为150nm～450nm。

在其中一个实施例中，所述纳米光栅的材料选自金、银、铝和钯中的至少一种。