基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器

摘要

本发明公开了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，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；敏感层为石墨烯碳纳米管复合材料，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。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。

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

图1为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的反应炉结构示意图；

图2为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的流程图；

图3为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜图像；

图4为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的拉曼光谱图。

图5为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的高分辨透射电镜图像；

图6为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的可见光透射图谱；

图7为本发明实施基于石墨烯碳纳米管复合材料的电阻式相对湿度传感器的原理图；

图8为本发明提供的电阻式相对湿度传感器测量的电阻与相对湿度关系图；

其中11.氢气流量计，12.碳源气体流量计，13.石英管，14.管式炉，15.真空计，16.镍箔， 17.未抛光的石英片，18.阀门，61.衬底，62.敏感层，63.电极I，64.电极II，65.欧姆表，66， 电极引线I，67.电极引线II。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为 了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图7所示，本发明包括衬底61以及位于衬底61上的敏感层62，敏感层62上印刷有 一对电极，即电极I63和电极II64，电极I63和电极II64分别通过电极引线I66和电极引线 II67连接至欧姆表65；敏感层62为石墨烯碳纳米管复合材料。

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，是利用图1所示的反 应炉实现的，它包括氢气流量计11、碳源气体流量计12、石英管13、管式炉14、真空计 15、镍箔16、未抛光的石英片17、阀门18组成的化学气相沉积系统，石英管13置于管式 炉14中，石英管13的通过真空计15分别与氢气流量计11和碳源气体流量计12连接，氢 气流量计11和碳源气体流量计12分别与氢气和碳源气体气瓶相连，石英管13的另一侧通 过阀门18和真空泵相连。

图2示出了制备石墨烯碳纳米管复合材料的流程图，通过化学气相沉积法，在未抛光的 石英片上一步直接制备石墨烯碳纳米管复合材料，包括以下制备步骤：

1.取6×8cm²的镍箔16置于石英管13的恒温区域；

2.取未抛光的未抛光的石英片17置于石英管13炉尾区域；

3.打开真空泵将石英管13的气压抽至极限真空状态3.99×10^-4Pa；

4.保持真空状态3.99×10^-4Pa15分钟后，将石英管13的气压升到0.399Pa；

5.氢气流量计11设定为50mL/min.，将氢气注入真空腔中；

6.管式炉14达到设定温度1100摄氏度后，恒温20分钟进行退火；

7.碳源气体流量计12设定为150mL/min.，将甲烷注入真空腔中，停留60分钟进行生 长；

8.关闭碳源气体流量计12并将管式炉14的温度快速降至室温；

9.关闭氢气流量计13以及真空泵；

10.打开阀门18，用空气将石英管13气压充满到一个大气压状态；

11.打开石英管13真空接口，取出已沉积石墨烯碳纳米管复合材料的石英衬底。

参考附图7，制备好沉积石墨烯碳纳米管复合材料的石英片之后，进一步完成以下工艺， 即可制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；

12.电极制备，在沉积有化学气象沉积法直接制备的石墨烯碳纳米管复合材料的石英片 61上，印刷电极I63和电极II64，电极I63和电极II64均为银电极；

13.金丝球压焊，将电极I63和电极II64分别与电极引线I66和电极引线II67焊接；

14.将电极引线I66和电极引线II67均与欧姆表连接；

15.检测。

图3为本发明实施例制备的石墨烯碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜图像，从该图 可以看出：（1）大面积的碳纳米管沉积到了石墨烯表面；（2）制备的碳纳米管的长度在1.5 微米左右。

图4为本发明实施例制备的石墨烯碳纳米管复合材料的拉曼光谱图，从该图可以看出： （1）存在石墨烯的特征峰G峰和2D峰；（2）存在碳纳米管的特征峰G’峰，进一步说明本 实施例成功制备石墨烯碳纳米管复合材料。

图5为本发明实施例制备的石墨烯碳纳米管复合材料的高分辨透射电镜图像，从该图 更加充分的证实了石墨烯碳纳米管复合材料的成功制备。

图6为本发明制备石墨烯碳纳米管复合材料的可见光透射图谱，从该图可以看出：该 复合材料具有良好的透过率，并没有因为碳纳米管的出现使透射光谱出现明显的吸收。

图8为本发明提供的电阻式相对湿度传感器测量的电阻与相对湿度关系图，从该图可 以看出：本发明制备的湿度传感器具有较高的灵敏度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的 各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。