[发明专利]仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件、制备方法及湿度传感器

权利要求书

1.一种仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，包括基膜，所述基膜的表面具有规则排布的反蛋白石多层结构。

2.根据权利要求1所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述规则排布的反蛋白石多层结构为若干紧密排列或等间距排列的凹坑；所述凹坑内部具有TiO₂层和氧化铝层交替沉积形成的多层膜。

3.根据权利要求2所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述多层膜的层数至少为10层；每层所述TiO₂层的厚度相同；每层所述氧化铝的厚度相同。

4.根据权利要求3所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述凹坑为半球形，深度为2.5-5μm。

5.根据权利要求4所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，单层所述TiO₂层的厚度为55±4nm，单层所述氧化铝层的厚度为80±4nm。

6.根据权利要求5所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述基膜表面的反蛋白石多层结构是通过二次模板法复制得到，具体是在经过亲水处理的衬底表面通过胶体自组装的方式将粒径为2.5-5μm的单分散微球组装成一层规则排列的球状结构，利用二次模板法复制出其反结构，反结构即为凹坑状结构。

7.根据权利要求1所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，其特征在于，所述基膜是掺杂碳黑后的混合薄膜，厚度为1-5mm，尺寸依据应用场景的需求切割成不同尺寸，边长尺寸范围为1-20mm。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、对衬底进行亲水处理，洗净干燥备用；

S20、将质量分数为0.25％的单分散微球胶粒悬浊液充分分散开，倒入大培养皿中；

S30、在一定温度下使小球在硅片自组装形成一层单层薄膜；

S40、在所述衬底上涂覆柔性材料并使其固化；

S50、将所述柔性材料与所述衬底剥离，得到了具有反蛋白石结构的仿生湿度传感薄膜；

S60、在所述仿生湿度传感薄膜上交替沉积11层TiO₂和氧化铝形成多层膜；

S70、对所述多层膜的表面进行亲水吸湿处理，即得到仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件。

9.根据权利要求8所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件的制备方法，其特征在于，步骤S10中所使用的所述衬底为SiO₂、载玻片、钢化玻璃或表面光滑平整的玻璃薄片中的一种；亲水处理的方法为使用食人鱼溶液浸泡或使用氧离子刻蚀法中的一种；

步骤S20中使用的所述微球为聚苯乙烯微球、二氧化硅微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种；所述胶粒悬浊液充分分散开的方法为超声震荡法或磁力搅拌法中的一种；所用的分散溶剂为无水乙醇和超纯水；

步骤S30中自组装的方法为自然沉降法、旋涂法、垂直沉积法、对流自组装法、气液界面组装法或胶体外延法中的一种；

步骤S40中的所述柔性材料为聚酰亚胺、聚酯薄膜、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或硅胶中的一种；

步骤S60中的所述交替沉积的方法为化学气相沉积法或原子层沉积法；

步骤S70中的亲水吸湿处理的方法为氧离子刻蚀法或食人鱼溶液浸泡。

10.一种湿度传感器，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的仿蝶翅鳞片凹坑结构的敏感元件，所述湿度传感器还包括发射部、接收部、第一PCB板层和第二PCB板层，所述第一PCB板层和所述第二PCB板层之间设置有光波导层，所述第一PCB板层上设置有进光孔和出光孔；所述发射部包括驱动模块和VCSEL阵列，所述驱动模块驱动所述VCSEL阵列对应所述进光孔产生红外光源；所述接收部包括接收模块和PD阵列，所述接收模块驱动PD阵列对应所述出光孔接收反射光源信号；所述敏感元件倾斜设置在所述光波导层内，并与所述进光孔对应设置；在所述光波导层内，对应所述出光孔倾斜设置有反射镜，以实现所述驱动模块驱动所述VCSEL阵列产生红外光源依次经敏感元件和所述反射镜后由所述接收模块驱动所述PD阵列进行接收。