一种γ-聚谷氨酸基湿度传感器及其制备方法

摘要

本发明属于湿敏元件及其制备技术领域，公开了一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器及其制备方法。本发明的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器包括敏感器件和设置在敏感器件上的湿度敏感层，湿度敏感层由γ‑聚谷氨酸或其复合敏感材料组成，γ‑聚谷氨酸基湿度传感器制备方法包括以下步骤：对敏感器件进行预处理；制备γ‑聚谷氨酸基敏感材料分散液；用制备好的分散液在敏感器件上沉积单层或多层湿度敏感层，干燥与老化后得到湿度传感器。本发明利用γ‑聚谷氨酸的丰富亲水官能团与阴离子特性所获得的湿度传感器具有响应高、速度快、重复性好等优点。

权利要求

1.一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器，其特征在于，包括敏感器件和设置在敏感器件上的湿度敏感层，所述湿度敏感层由γ‑聚谷氨酸或其复合敏感材料制得；

所述敏感器件为刚性基底或柔性基底的叉指电极、石英晶体微天平或声表面波器件。

2.根据权利要求1所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器，其特征在于，所述刚性基底为刚性的硅基衬底、陶瓷衬底或三氧化二铝衬底，柔性基底为柔性的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、布基或纸基。

3.根据权利要求1所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器，其特征在于，所述叉指电极数量为1～50对，每对叉值电极的叉值间距为5～500μm。

4.根据权利要求1所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感层的厚度为50nm～500μm。

5.根据权利要求1所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器，其特征在于，所述复合敏感材料为γ‑聚谷氨酸复合氧化锌。

6.一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的制备方法,其特征在于，包括以下步骤：S1、对敏感器件的基底进行预处理，包括清洗、干燥和亲水处理；

S2、制备γ‑聚谷氨酸分散液或γ‑聚谷氨酸基复合敏感材料分散液；

S3、将敏感材料分散液沉积在敏感器件基底上形成湿度敏感层；

S4、将具有湿度敏感层的敏感器件进行干燥与老化处理；

所述敏感器件为刚性基底或柔性基底的叉指电极、石英晶体微天平或声表面波器件。

7.根据权利要求6所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的制备方法,其特征在于，步骤S2中，所述敏感材料分散液的溶剂为去离子水、乙醇、丙酮或N‑甲基吡咯烷酮。

8.根据权利要求6所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的制备方法,其特征在于，步骤S3中，所述敏感材料分散液的沉积工艺包括用涂料笔涂覆、喷涂、旋涂、滴涂、浸涂或自组装。

9.根据权利要求6所述的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的制备方法,其特征在于，步骤S3中，所述湿度敏感层为单层或多层。

说明书

一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及湿敏元件及其制备技术领域，具体涉及一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 湿度与人类生活、生产、动植物生存、科研等领域具有密切关系，环境湿度具有与环境温度同等重要的意义。

[0003] 电阻型的湿度传感器可分为半导体陶瓷材料基与高分子聚合物基。半导体型的陶瓷材料虽然具有丰富的微观形貌，但陶瓷材料基敏感膜易脱落、不耐弯曲，且传感器准确度
较低，不易集成。高分子聚合物不仅具有软物质特性，可提升传感器的柔性特性；而且部分
高分子聚合物具有丰富的亲水官能团，具有成为湿敏材料的潜力。

[0004] 电阻型高分子聚合物湿度传感器主要分为两类，一类是胀缩性有机物湿敏元件，例如申请号为202010813831.6的发明专利公开了一种不对称的薄膜型湿度传感器及其制
备方法。该发明将氧化石墨烯和纳米纤维素分散液进行抽滤得到复合薄膜。在相同的湿度
下，复合膜吸湿膨胀程度不同而发生偏转；传感器在不同的湿度下具有不同的曲率。另一类
是高分子电解质湿敏元件。例如申请号为201910240221.9的发明专利公开了一种具有快响
应特性的柔性湿度传感器。该发明涉及了基于咪唑类离子液体的柔性湿度传感器。通过在
柔性基底引入一层纳米线结构，在纳米线结构中加入离子液体，可以提升传感器的响应速
度。聚合物基的湿度传感器材料来源广泛，适于批量生产，有利于发展高性能的湿度传感
器。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种制备简单、响应高、速度快、线性度好的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器及其制备方法。

[0006] 本发明为了实现上述目的采用的技术方案如下：

[0007] 一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器，包括敏感器件和设置在敏感器件上的湿度敏感层，所述湿度敏感层由γ‑聚谷氨酸或其复合敏感材料制得。

[0008] 进一步的是，所述敏感器件为刚性基底或柔性基底的叉指电极、石英晶体微天平或声表面波器件。

[0009] 进一步的是，所述刚性基底为刚性的硅基衬底、陶瓷衬底或三氧化二铝衬底，柔性基底为柔性的聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、布基或纸基。

[0010] 进一步的是，所述叉指电极数量为1～50对，每对叉值电极的叉值间距为5～500μm。

[0011] 进一步的是，所述湿度敏感层的厚度为50nm～500μm。

[0012] 进一步的是，所述复合敏感材料为γ‑聚谷氨酸复合金属氧化物和/或碳材料和/或无机盐。

[0013] 本发明还提供了一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的制备方法,包括以下步骤：

[0014] S1、对敏感器件的基底进行预处理，包括清洗、干燥和亲水处理；

[0015] S2、制备γ‑聚谷氨酸分散液或γ‑聚谷氨酸基复合敏感材料分散液；

[0016] S3、将敏感材料分散液沉积在敏感器件基底上形成湿度敏感层；

[0017] S4、将具有湿度敏感层的敏感器件进行干燥与老化处理。

[0018] 进一步的是，步骤S2中，所述敏感材料分散液的溶剂为去离子水、乙醇、丙酮或N‑甲基吡咯烷酮。

[0019] 进一步的是，步骤S3中，所述敏感材料分散液的沉积工艺包括用涂料笔涂覆、喷涂、旋涂、滴涂、浸涂或自组装。

[0020] 进一步的是，步骤S3中，所述湿度敏感层为单层或多层。

[0021] 本发明的有益效果如下：

[0022] 本发明提出γ‑聚谷氨酸基湿度传感器及其制备方法，结合γ‑聚谷氨酸的亲水性、阴离子特性，开发出具有响应大、速度快与重复性好的湿度传感器；γ‑聚谷氨酸基湿度
传感器结构简单、工艺简洁，有利于大规模制造与推广；由于γ‑聚谷氨酸的软材料特性，可
用于柔性湿度传感器的设计制备，提升敏感膜的抗弯折特性及其与衬底的粘附性。

附图说明

[0023] 图1为本发明中γ‑聚谷氨酸基湿度传感器制备流程图；

[0024] 图2为本发明中的γ‑聚谷氨酸红外光谱图；

[0025] 图3为本发明中的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器电阻‑相对湿度(RH)实时变化曲线图；

[0026] 图4为本发明中的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器湿滞曲线图；

[0027] 图5为本发明中的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器响应时间曲线图；

[0028] 图6为本发明中的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器在0％和50％RH切换下的6个循环响应‑时间曲线图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的说明。

[0030] 如图1所示，为本发明提供的γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

[0031] (1)对敏感器件的基底进行预处理，包括清洗、干燥和亲水处理等处理流程；

[0032] (2)制备γ‑聚谷氨酸分散液或γ‑聚谷氨酸基复合敏感材料分散液；

[0033] (3)将敏感材料分散液沉积在敏感器件基底上形成湿度敏感层；

[0034] (4)将具有湿度敏感层的敏感器件进行干燥与老化处理后，得到γ‑聚谷氨酸基湿度传感器。

[0035] 上述方法中，步骤(2)中制备敏感材料分散液的溶剂可以选为去离子水、乙醇、丙酮或N‑甲基吡咯烷酮等等。步骤(3)中将敏感材料分散液沉积在敏感器件基底形成湿度敏
感层的沉积工艺包括但不限于用涂料笔涂覆、喷涂、旋涂、滴涂、浸涂或自组装工艺。值得说
明的是，利用上述制备方法制备的湿度敏感层可以为一层也可以多层。敏感材料分散液的
溶剂、湿度敏感层的沉积工艺以及湿度敏感层的层数选择可根据设计者需要进行选择制
备。

[0036] 实施例1

[0037] 本实施例选用的敏感器件为叉指电极，叉指电极选用制作在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上金电极，叉指电极的叉指间距为200μm，叉指电极的叉指宽度为200μm，叉指电极的电极
厚度为100nm。本实施例中选用纯γ‑聚谷氨酸作为湿度敏感材料，采用滴涂工艺制备γ‑聚
谷氨酸基湿度敏感层，其具体制备步骤为：

[0038] (1)预处理PI衬底金叉指电极，进行离子水、丙酮、酒精和去离子水清洗；干燥后，进行30min紫外亲水处理；

[0039] (2)制备γ‑聚谷氨酸分散液，溶剂为去离子水，配置0.1mg/mL浓度的γ‑聚谷氨酸分散液，经过超声处理后备用；

[0040] (3)通过滴涂工艺在柔性PI衬底的叉指电极上制备湿度敏感膜；在60℃环境下干燥12小时，然后在干湿环境下对传感器进行循环老化12h，得到γ‑聚谷氨酸基湿度传感器。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例选用的敏感器件为石英晶体微天平(QCM)器件，QCM器件选用上下金属电极均为银电极，其基础频率为9.98MHz；本实施例中选用纯γ‑聚谷氨酸作为湿度敏感材料，
其具体制备步骤为：

[0043] (1)预处理QCM器件，进行离子水、丙酮、酒精和去离子水清洗；干燥后，进行20min等离子体处理；

[0044] (2)制备γ‑聚谷氨酸分散液，溶剂为去离子水，配置0.1mg/mL浓度的γ‑聚谷氨酸分散液，经过超声处理后备用；

[0045] (3)通过喷涂工艺在QCM器件两面分别喷涂0.2mL分散液，制备湿度敏感膜；在60℃环境下干燥12小时，然后在干湿环境下对传感器进行循环老化12h，得到γ‑聚谷氨酸基湿
度传感器。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例选用敏感器件为叉指电极，叉指电极选用柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PEI)衬底上的镍‑铬‑金电极，叉指电极的叉指间距为50μm，叉指宽度为50μm，电极厚度为
100nm；本实施例中选用γ‑聚谷氨酸复合氧化锌作为湿度敏感材料。氧化锌的纳米形貌，可
以为水分子提供更多的吸附位点。采用旋涂工艺制备γ‑聚谷氨酸基湿敏复合薄膜，其具体
制备步骤为：

[0048] (1)预处理PET衬底镍‑铬‑金叉指电极，进行离子水、丙酮、酒精和去离子水清洗；干燥后，进行10min紫外亲水处理；

[0049] (2)制备γ‑聚谷氨酸分散液，溶剂为去离子水，配置0.5mg/mL浓度的γ‑聚谷氨酸分散液，经过超声处理后备用；制备氧化锌分散液，溶剂为去离子水，配置0.1mg/mL浓度的
氧化锌分散液，经过超声处理后备用；

[0050] (3)通过旋涂工艺现在PET衬底上旋涂一层γ‑聚谷氨酸薄膜，利用γ‑聚谷氨酸的粘性，接着在其上面旋涂一层氧化锌薄膜；重复依次旋涂γ‑聚谷氨酸与氧化锌层，得到γ‑
聚谷氨酸基湿敏复合薄膜。

[0051] (4)在60℃环境下干燥12小时，然后在干湿环境下对传感器进行循环老化12h，得到γ‑聚谷氨酸基湿度传感器。

[0052] 试验例

[0053] 在实施例1制备的一种γ‑聚谷氨酸基湿度传感器的基础上，进行性能测试，性能测试按照本领域已公开的方法进行。具体方法为：使用AES‑4SD设备分析仪对上述制备的传
感器的电阻信号进行测试，不同的相对湿度(RH)环境由鼓泡法获得，并由高精度湿度传感
器进行校准，测试湿度包括0％、28.8％、41.1％、60.8％、72.0％、79.3％、84.5％与91.5％
RH。

[0054] 本实施例中的γ‑聚谷氨酸敏感层红外光谱如图2所示。由图可知，γ‑聚谷氨酸具有丰富的亲水官能团，如氨基、羧基与酰胺键等。

[0055] 如图3所示，展示了γ‑聚谷氨酸基湿度传感器在28.8％‑91.5％RH的电阻实时变化曲线。由图可知，传感器的湿度响应范围宽，在高湿状态下，响应变化超过三个数量级。经
计算，该传感器具有分段线性特点，在28.8％‑72.0％RH范围内，线性度为0.9954；在
72.0％‑91.5％RH范围内，线性度为0.9957。

[0056] 图4展示了γ‑聚谷氨酸基湿度传感器湿滞曲线图。经计算可知，传感器的湿滞为3.0％RH。

[0057] 图5展示了γ‑聚谷氨酸基湿度传感器响应时间曲线。如图所示，该传感器在91.5％RH下具有快的响应时间，约为4s；恢复时间约为43s。

[0058] 图6展示了γ‑聚谷氨酸基湿度传感器在0％RH和50％RH切换下的6个循环响应‑时间曲线图。如图所示，该传感器在湿度切换后可快速达到稳定状态，表现出良好的重复性。

[0059] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书的内容所作的等同变化，同理均应包含在
本发明的保护范围内。