一种电阻型湿敏材料、其制备方法以及电阻型湿度传感器

摘要

本发明提供一种电阻型湿敏材料、其制备方法以及电阻型湿度传感器。该电阻型湿敏材料是具有钙钛矿相结构的铁酸镧纳米纤维，其分子式为La1‑xSrxFeO3，x代表Sr2+的掺杂量，0≤x≤0.5。本发明将La(NO3)3·6H2O、FeCl3·6H2O和SrCl2按照摩尔比溶于有机溶剂，加入聚乙烯吡咯烷酮作为模板剂，通过静电纺丝技术制备纳米纤维，随后煅烧去除有机物，得到所述铁酸镧纳米纤维。在0％RH‑90％RH的湿度范围，该铁酸镧纳米纤维的电阻变化倍数为10‑105范围，并且随着湿度增大而显著增大，在电阻型湿度传感器具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于湿度敏感材料及湿度传感器技术领域，具体涉及一种电阻型湿敏材料、其制备方法以及电阻型湿度传感器。

背景技术

湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，因此对环境湿度检测具有重要意义。湿度传感器是一种将环境中的湿度转换为可识别的电信号的器件，包括可以感知环境水分含量的敏感材料和将敏感材料的感知变化转换为电信号的换能元件。

迄今为止，已经有多种材料被开发作为湿度敏感材料(简称湿敏材料)应用于湿度检测中。专利文献CN202110024106.5公开湿敏多孔陶瓷、雾化芯及其制备方法，采用MgO，Cr

这些湿敏材料都是阻抗型湿敏材料，该类型材料的电量信号采集电路较复杂。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在探索新型湿敏材料，具有成本低、易于制备，并且使用方便，灵敏度高的优点。

本发明中，设材料在某干燥气氛中的电阻为Ra，当材料处于相同气氛中，并且其他条件相同，但是所述气氛具有一定湿度时的电阻为Rg。定义该材料的电阻变化值＝Rg-Ra，电阻变化倍数(又称响应值)＝Rg/Ra。

为了实现上述技术目的，本发明人发现，具有钙钛矿相结构的铁酸镧纳米纤维(其分子式为LaFeO

当湿度环境为10％RH时，电阻变化倍数大于15；

当湿度环境为30％RH时，电阻变化倍数大于200；

当湿度环境为50％RH时，电阻变化倍数大于2000；

当湿度环境为70％RH时，电阻变化倍数大于20000；

当湿度环境为90％RH时，电阻变化倍数大于60000。

为了进一步提高该材料的湿敏特性，本发明人经过大量实验探索后发现，当在铁酸镧中进行锶掺杂，使分子式为La

当湿度环境为10％RH时，电阻变化倍数大于60；

当湿度环境为30％RH时，电阻变化倍数大于2000；

当湿度环境为50％RH时，电阻变化倍数大于10000；

当湿度环境为70％RH时，电阻变化倍数大于40000；

当湿度环境为90％RH时，电阻变化倍数大于80000。

即，本发明的技术方案为：一种电阻型湿敏材料，其特征是：所述湿敏材料是具有钙钛矿相结构的铁酸镧纳米纤维，其分子式为La

作为优选，0.1≤x≤0.5。

作为优选，所述纳米纤维的直径为100nm-200nm。

本发明还提供一种制备上述电阻型湿敏材料的方法，包括如下步骤：

(1)根据所述锶掺杂铁酸镧纳米纤维的分子式，将La(NO

作为优选，所述步骤(1)中，PVP的浓度为100-200mg/ml；

作为优选，所述步骤(1)中，聚乙烯吡咯烷酮分子量为1300000；

作为优选，所述步骤(1)中，有机溶剂采用二甲基甲酰胺和无水乙醇的混合溶剂；

(2)将前驱液注入注射器中，安装在静电纺丝设备上，静电纺丝设备包括喷丝头与接收装置，通过静电纺丝得到La

作为优选，所述步骤(2)中，喷丝头和接收装置的距离为10-20cm；

作为优选，所述步骤(2)中，喷丝头直径为0.2-1mm；

作为优选，所述步骤(2)中，喷丝头与接收装置间加压为10-30kV；

(3)将La

作为优选，所述步骤(3)中，煅烧温度为500℃-800℃，优选为600℃-700℃；

作为优选，所述步骤(3)中，升温速率为0.5-2℃/min；

作为优选，所述步骤(3)中，煅烧时间为5-10小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)发现具有钙钛矿相结构的铁酸镧纳米纤维的电阻随湿度变化明显，并且随着湿度增加，电阻变化倍数显著增加，在10％RH-90％RH的湿度环境中的电阻变化倍数可在10-10

(2)发现在铁酸镧材料中掺杂锶，纳米纤维表面的粗糙度增加，能够进一步提高纳米纤维的电阻对湿度变化的灵敏性；

(3)本发明通过静电纺丝技术，通过控制锶掺杂量x在0-0.5范围，实现纳米纤维具有钙钛矿相结构，得到具有电阻型湿敏材料；

(4)本发明的湿敏材料可用于电阻型湿度传感器。作为一种实现方式，所述电阻型湿度传感器包括电极，电极表面设置所述湿敏材料。针对该结构的湿度传感器，作为一种制备方法，将所述湿敏材料溶于去离子水得到浆料，将所述浆料涂在电极表面后干燥形成薄膜。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的La

图2是本发明实施例1制得的La

图3是本发明实施例1-3中制得的La

图4是本发明实施例1制得的LaFeO

图5是本发明实施例1制得的La

图3中的附图标记为：1、衬底，2、电极，3、湿敏薄膜。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

(1)将摩尔比例为1-x：x：1的La(NO

(2)将各前驱液注入注射器中，装置在静电纺丝设备上，喷丝头和接收装置的距离为15cm，针头直径0.6mm，喷丝头与接收板间加高压为15kV，静电纺丝得到La

(3)将接收装置上的La

测量上述制得的La

当x＝0时的衍射峰与钙钛矿相LaFeO

当x≤0.5时，即少量Sr

当x＞0.5时，无法形成钙钛矿相LaFeO3，由大量的Fe

具体XRD图请见附图1，图1中以x＝0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9作为代表，清楚显示了相结构随x的变化趋势。

利用扫描电子显微镜观察上述制得的La

(a)LaFeO

从图2可以看出：

(1)当x＝0时，如图2中的(a)图所示，得到一维纤维结构，并且纤维表面比较光滑；

(2)当掺杂Sr

当Sr

当Sr

将上述制得的La

将实施例1中制得的La

测试上述制得的La

测试结果显示，当x≤0.5时得到的具有钙钛矿相结构的La

湿度环境为10％RH时，电阻变化倍数大于15；

湿度环境为30％RH时，电阻变化倍数大于200；

湿度环境为50％RH时，电阻变化倍数大于2500；

湿度环境为70％RH时，电阻变化倍数大于22000；

湿度环境为90％RH时，电阻变化倍数大于60000。

当x＝0时，LaFeO

湿度环境为10％RH时，电阻变化倍数达到16；

湿度环境为30％RH时，电阻变化倍数达到220；

湿度环境为50％RH时，电阻变化倍数达到2679.6；

湿度环境为70％RH时，电阻变化倍数达到达到22703.8；

湿度环境为90％RH时，电阻变化倍数达到最大值63768.1。

当x＝0.1时，La

湿度环境为10％RH时，电阻变化倍数达到60.6；

湿度环境为30％RH时，电阻变化倍数达到2300.6；

湿度环境为50％RH时，电阻变化倍数达到12254.9；

湿度环境为70％RH时，电阻变化倍数达到达到42040.3；

湿度环境为90％RH时，电阻变化倍数达到最大值82521.7。

对比图4与图5，得到锶掺杂的铁酸镧纳米纤维能够提高铁酸镧纳米纤维的电阻型湿度敏感特性。

实施例2：

(1)将摩尔比例为0.8：0.2：1的La(NO

(2)将前驱液注入注射器中，装置在静电纺丝设备上，喷丝头和接收装置的距离为20cm，针头直径0.8mm，喷丝头与接收板间加高压为20kV；

(3)将接收装置上的La

测量上述制得的La

利用扫描电子显微镜观察上述制得的La

测试上述制得的La

实施例3：

(1)将摩尔比例为0.7：0.3：1的La(NO

(2)将前驱液注入注射器中，装置在静电纺丝设备上，喷丝头和接收装置的距离为20cm，针头直径0.6mm，喷丝头与接收板间加高压为18kV；

(3)将接收装置上的La

测量上述制得的La

利用扫描电子显微镜观察上述制得的La

测试上述制得的La

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。