专利名称：一种基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，具体地说是一种基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器。
背景技术：
如今，湿度测量越来越受到人们的重视，湿度与科研、生产、人类生活、植物生长都有着密切的关系。从第一个湿敏元件的诞生到现在，已有两百多年，这期间出现了许许多多各式各样的湿敏元件及传感器，其主要分为电阻式和电容式两大类。为了得到更优的性能， 各类新颖的湿度敏感材料层出不穷，包括有机聚合物、无机材料、纳米复合物、微通道、多孔硅等等。虽然这些新型材料具有一定的运用潜能，但一些技术缺点限制了它们的发展，包括响应时间长、湿滞大、与传统的集成电路工艺不兼容、只适合于小范围的湿度测量、需要额外的加热元件、成本大、制作工序复杂等等。因此，寻找一种理想的湿度敏感材料是当务之感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器，以解决和改善现有技术的一些不足，为未来湿度传感器的制作提供一种新的、适用于大规模生产的、成本低廉的及性能优化的可行方案。实现本发明目的的具体技术方案是
一种基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器，该传感器由硅衬底、有机物修饰的硅纳米线及插指电极构成，硅衬底用于生长和承载硅纳米线，硅纳米线上修饰有机物，有机物修饰的硅纳米线顶部制作插指电极。一种所述传感器的制备方法，包括以下具体步骤
1)硅纳米线的制备
硅纳米线由化学刻蚀法制得硅纳米线；
2)有机物修饰
将制得的硅纳米线置于100-200°C的憎水性有机物饱和气体氛围中，反应20分钟。有机物自组装完毕，硅纳米线表面呈憎水性；
3)电极的制作
在有机物修饰的硅纳米线表面，用导电银浆以丝网印刷的方法制作一个插指电极，电极宽度和电极间距为1-2毫米；最后引出导线，得到所述传感器。所述憎水性有机物为六甲基二硅胺烷(HMDS)或3-氨丙基三甲氧基硅氧烷 (APTMS)。由硅纳米线制作而成的湿度传感器灵敏度较高，但是湿滞很大，高湿环境下的响应时间较长，这主要是因为在硅纳米线的表面存在有很多羟基，使其表面呈亲水性而导致的。本发明采取了有机物修饰的方法，在硅纳米线表面自组装一层有机物，使其表面呈憎水性，从而改善传感器的性能。该方法具有简单、可靠、价廉、重复性好、湿滞小和反应速度快等优点，为未来微纳湿度传感器的制作以及湿敏材料的选择提供一种新的思路和方法。本发明具有以下用途和优点 ⑴、用途
该方法制作的湿度传感器，可在农业、工业、人类生活所需的湿度检测中得到广泛地研究与应用。⑵、优点
第一通过简单的微加工工艺能够进行大批量生产，成本低且与大规模集成电路工艺相兼容。第二，该方法制备的湿度传感器，巧妙地利用了有机物的自组装性能，易于实现， 具有广泛的适用性。第三，所制备的传感器回复性好、湿滞小、响应快、性能稳定、易于实现微型化。
图1为本发明传感器的结构示意图； 图2为本发明传感器的实物图3为本发明传感器的测试装置示意图4为本发明传感器在相对湿度11. 3%-57%-ll. 3%RH和11. 3%-93%-ll. 3%RH条件下的回复性曲线；
图5为本发明传感器的湿滞特性曲线图； 图6为本发明传感器的稳定性曲线图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。 实施例参阅图1，本发明传感器由硅衬底1、有机物修饰的硅纳米线2及插指电极3构成， 硅衬底1用于生长和承载硅纳米线，硅纳米线上修饰有机物，有机物修饰的硅纳米线2表面制作插指电极3。本发明传感器的制备具体包括以下步骤 1)硅纳米线的制备
硅纳米线由化学刻蚀法制得。首先选取大小为0. 5X0. 5cm的硅片，用H2SO4:H2A=I :1 (体积比)溶液清洗时间为10分钟，再用去离子水将其冲洗干净；配制70毫摩尔/升的AgNO3 溶液20毫升，超声振动20分钟，再配制浓度为20%的HF溶液20毫升；将洗净的的硅片投入到上述AgNO3和HF的混合溶液中进行反应，反应时间为60分钟；最后分别用HNO3溶液和去离子水将该刻有硅纳米线的硅片清洗干净，在400摄氏度的空气中快速热退火4分钟。2)有机物修饰
将制得的硅纳米线置于100-200°C的有机物饱和气体氛围中，有机物选用六甲基二硅胺烷，反应20分钟；有机物自组装完毕，硅纳米线表面呈憎水性。
3)电极的制作
在有机物修饰的硅纳米线表面，用导电银浆以丝网印刷的方法制作一个插指电极，电极宽度和电极间距约为1-2毫米。最后引出导线，制得基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器。参阅图2，本发明传感器实物图。参阅图3，对所制得的传感器进行相对湿度测试加以校验。实验中所需要的标准湿度通过盐饱和溶液法获取。在一个标准大气压下，室内温度为25°C时，取LiCl，CH3COOK, K2CO3, NaBr, KI, NaCl, KCl, KNO3等8种饱和盐溶液，它们的相对湿度值分别为11. 3%， 23%, 43%, 57%, 68%, 75%, 85%, 9396，将传感器两端连接到555芯片连成的振荡电路中作为电容器件，通过电脑程序观察其输出值的变化。图中1为湿度测试环境，2为本发明传感器。⑴、回复性
以湿度环境11. 3%RH为基准，分别对相对湿度值为2396，43%, 57%, 68%, 75%, 85%, 93%进行了回复性测试。具体测试步骤为湿度传感器在11. 3%RH环境中放置10分钟，然后迅速放至被测相对湿度环境中10分钟，随后回放至11. 3%RH环境中10分钟，再将传感器放回先前被测相对湿度环境中10分钟，最后再将其放回11. 3%RH环境中10分钟。以此，通过555多谐振荡器和电脑数据采集，可以获得两次重复测试的频率变化数据，通过计算，转化为电容值的变化。以 11. 3% - 57% - 11. 3% - 57% - 11. 3% RH 和 11. 3% - 93% - 11. 3 % - 93% - 11.3% RH为例(如图4所示)，可以看到，该传感器的回复性良好，无论是高湿还是低湿环境下，传感器的频率值均能基本回复到初始位置。⑵、湿滞特性
在湿度传感器的实际应用中，湿滞大已成为一个阻碍其发展的问题。对本发明传感器进行湿滞测试，测试方法为先从11. 3%RH到93%RH逐步测试，即湿度递增方向；然后再从 93%RH到11. 3%RH逐步测试，即湿度递减方向。由图5所示(图中1为HMDS修饰的硅纳米线湿度传感器，2为未经修饰的硅纳米线湿度传感器)，可知，经过HMDS修饰的硅纳米线湿度传感器的湿滞特性得到了明显的改善，尤其是在相对湿度为11. 3%的时候，其最大湿滞率由原来的8. 1%减小到1. 1%。⑶、稳定性
作为传感器，稳定性是十分重要的技术参数，稳定与否直接关系到它的可参考性。如图 6所示，对本发明湿度传感器进行了长时间的稳定性测试。具体为在典型较高湿的环境下 (相对湿度为75%为例)，连续测试30天来检测其稳定性。由图可以看到，该传感器的输出电容值在30天内波动很小，性能稳定，其稳定性可达到日常应用可接受的范围之内。⑷、响应及恢复时间
本发明传感器在低湿条件下，响应和恢复均较快，一般为20到30秒左右。而在高湿情况下(相对湿度大于85%RH)，响应变慢，一般约为2分钟。但与未用有机物修饰的硅纳米线传感器的响应时间(约为6分钟)相比，已得到明显的改善。
权利要求
1.一种基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器，其特征在于该传感器由硅衬底、有机物修饰的硅纳米线和插指电极构成，硅衬底用于生长和承载硅纳米线，硅纳米线上修饰有机物，有机物修饰的硅纳米线顶部制作插指电极。
2.—种权利要求1所述传感器的制作方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤1)硅纳米线的制备硅纳米线由化学刻蚀法制得硅纳米线；2)有机物修饰将制得的硅纳米线置于100-200°C的憎水性有机物饱和气体氛围中，反应20分钟；有机物自组装完毕，硅纳米线表面呈憎水性；3)电极的制作在有机物修饰的硅纳米线表面，用导电银浆以丝网印刷的方法制作一个插指电极，电极宽度和电极间距为1-2毫米；最后引出导线，得到所述传感器。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述憎水性有机物为六甲基二硅胺烷或3-氨丙基三甲氧基硅氧烷。
全文摘要
本发明公开了一种基于有机物修饰的硅纳米线湿度传感器，该传感器由硅衬底、有机物修饰的硅纳米线及插指电极构成，硅衬底用于生长和承载硅纳米线，硅纳米线上修饰有机物，有机物修饰的硅纳米线顶部制作插指电极；通过化学刻蚀法制得硅纳米线，然后用有机物对硅纳米线表面进行修饰改性，再用导电银浆以丝网印刷的方法在其顶部制作插指电极，引出导线。本发明的传感器制作简便，回复性好，湿滞�。煊欤阅芪榷ǎ子谑迪治⑿突�
文档编号G01N27/22GK102183553SQ201110044398
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者严强, 回士超, 张健, 王志亮, 陈云, 陈雪皎 申请人:华东师范大学
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