一種具有輸入輸出濕度數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境領(lǐng)域，具體涉及一種具有輸入輸出濕度數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境監(jiān)測裝置一般由多個探測器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測終端構(gòu)成，其中，探測節(jié)點(diǎn)可以對環(huán)境中溫度、光照、濕度等環(huán)境信息的采集、處理和數(shù)據(jù)收發(fā)等
[0003]然而，現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)中的濕度探測節(jié)點(diǎn)仍然存在靈敏度不高、響應(yīng)時間長等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處而提供一種具有輸入輸出濕度數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測裝置。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]本發(fā)明提供了一種具有輸入輸出濕度數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測裝置，其特征在于:所述環(huán)境監(jiān)測裝置(I)的外部安裝有ZnO基濕敏傳感器模塊(2);所述ZnO基濕敏傳感器模塊(2)主要由濕敏敏感元件和數(shù)據(jù)讀取元件組成，所述濕敏敏感元件為叉指電極型，包括硅片襯底
(10)、S1-NPA(20)、氧化鋅納米線(30)和石墨烯層(40);所述環(huán)境監(jiān)測裝置(I)的輸出電線側(cè)壁上設(shè)置有一個用于脫濕的聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纖維復(fù)合膜組件，該膜組件將聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纖維復(fù)合膜固定在玻璃電極上，玻璃電極與濕敏傳感器連接;所述氧化鋅納米線(30)長度約6μηι。
[0007]優(yōu)選地，所述濕敏敏感元件的制備方法如下:
[0008]步驟一，制備S1-NPA襯底:對3cm X 3cm的硅片襯底(10)進(jìn)行包括清洗去污、水熱法腐蝕制備S1-NPA襯底;①取3cm X 3cm的硅片，將硅片置于硫酸和雙氧水體積比4: I的混合溶液中，超聲處理20min，取出用去離子水清洗，以去除硅片表面的有機(jī)雜質(zhì);將硅片放置于體積比為H2O:H2O2:NH4OH= 5:2:1的混合溶液中，超聲清洗20min，隨后取出用去離子水清洗，以去除硅片表面的有機(jī)物和金屬絡(luò)合物；②利用水熱法腐蝕制備S1-ΝΡΑ:稱取1.0g的Fe(NO3).9H20倒入聚四氟乙烯中，隨后向其中加入20ml去離子水和30ml 40%的HF溶液;將上步清洗的硅片放入溶液中，加蓋放入水熱釜中，隨后將水熱釜放入干燥箱中，180°C恒溫保持30min，自然冷卻后，取出硅片清洗即得S1-NPA襯底；
[0009]步驟二，生長氧化鋅納米線:采用磁控濺射結(jié)合熱氧化法制備氧化鋅納米線;將硅納米孔柱襯底放入磁控濺射儀中，在濺射電壓220V、濺射電流0.8A條件下，磁控濺射Zn膜，厚度為50nm，隨后將其放入箱式爐中，在400 V下熱氧化法處理4h，得到長度約6μπι，直徑約30nm的氧化鋅納米線；
[0010]步驟三，生長石墨烯層:采用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯;首先在上步得到的襯底上磁控濺射一層金屬Ni膜，厚度約為5nm;其次，將該襯底放入管式爐中，升溫至900°C，按一定速率通入氫氣作為保護(hù)還原氣體，穩(wěn)定30min，然后，按照一定比例同時通入甲烷2h，停止通入甲烷后開始自然降溫;在Ni催化劑作用下，甲烷分子在高溫下會裂解成碳原子和氫原子，在降溫過程并且在氫氣的保護(hù)下，碳原子會沉積形成一層石墨烯薄膜；
[0011]步驟四，蒸鍍叉指電極:得到生長有氧化鋅納米線和石墨烯的硅納米孔柱襯底后，在襯底表面覆蓋叉指電極掩模版，利用磁控濺射法在其表面蒸鍍一層500nm厚的Au薄膜作為電極；
[0012]步驟五，組裝敏感元件與讀取數(shù)據(jù)元件:讀取數(shù)據(jù)元件的正負(fù)極導(dǎo)線連接到叉指電極上，兩部分組成氧化鋅基濕敏傳感器器件；
[0013]所述的聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纖維復(fù)合膜組件的制備方法如下:
[0014]步驟一，聚砜中空纖維基膜預(yù)處理:聚砜中空纖維基膜在涂覆之前要進(jìn)行預(yù)處理，用去離子水浸泡12h后，用l.0mol/Ι的鹽酸浸泡60min，去除膜表面的甘油層和其他有機(jī)溶劑;然后用1.0moI/1的氫氧化鈉溶液中和過量的鹽酸，最后用去離子水反復(fù)沖洗，使膜表面呈中性，陰干備用；
[0015]步驟二，制備聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜中空纖維復(fù)合膜:將一定質(zhì)量的平均聚合度為1750±50的聚乙烯醇加入去離子水中，在50°C水浴中攪拌約3h至聚乙烯醇完全溶解，得到5被％聚乙烯醇均相水溶液;將溶液冷卻至室溫后加入一定量的乙二胺四甲叉磷酸，并在室溫下攪拌1.5h，靜置脫泡即得鑄膜液;將經(jīng)過預(yù)處理的聚砜基膜(截留分子量30000)在鑄膜液浸泡20min后取出，垂直固定在晾絲架上陰干;將經(jīng)過一次涂覆的膜在鑄膜液中再浸泡20min后，反向固定在晾絲架上，室溫下干燥過夜，制得所需的PVA-EDTMPA/PS中空纖維復(fù)合膜。
[0016]步驟三，固定:將聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜中空纖維復(fù)合膜固定在玻璃電極上。
[0017]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0018]1.結(jié)構(gòu)方面，本發(fā)明采用S1-NPA(硅納米孔柱)材料為基底，ZnO NWs(氧化鋅納米線)結(jié)合石墨烯為敏感材料，該結(jié)構(gòu)具有極大的比表面積與良好的氣體擴(kuò)散通道，大大提高了該環(huán)境監(jiān)測裝置中敏感材料的靈敏度；
[0019]2.采用石墨烯材料可以極大的增加材料的導(dǎo)電率，同時水分子主要吸附在納米線與石墨烯的表面，容易脫附，該環(huán)境監(jiān)測裝置對濕度響應(yīng)的重復(fù)性良好；
[0020]3.制備過程材料消耗少，工藝的可控程度高，器件小巧輕便，易于批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0021]利用附圖對發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。
[0022]圖1為本發(fā)明環(huán)境監(jiān)測裝置的示意圖。
[0023]圖2為傳感器敏感元件部分示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]傳感器技術(shù)是能夠獲取自然、生產(chǎn)領(lǐng)域中各類信息的主要途徑和手段。其是一種現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，它是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要基準(zhǔn)。根據(jù)定義，傳感器為:“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路組成?！泵舾性悄軌蛑苯痈惺鼙粶y量并將其轉(zhuǎn)換為與被測量有確定關(guān)系的電量或易變成電量的物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件是能夠?qū)⒚舾性惺艿降谋粶y量直接轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的電量的元件。測量電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為易于處理的可用電信號的電路。
[0025]濕度是指空氣中水蒸氣的含量。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對生產(chǎn)生活中濕度的檢測與控制有非常重要的意義，濕敏傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛，比如濕敏傳感器在諸如家用電器、汽車、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0026]濕敏元件是指對環(huán)境濕度具有響應(yīng)或能將環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的可測量信號的元件，其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境檢測及工程控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。濕度傳感器的核心是濕敏材料，其是利用吸附效應(yīng)直接吸附大氣中的水分子，使材料的電學(xué)特性等發(fā)生變化，從而檢測濕度的變化。氧化鋅是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其在傳感器、太陽能電池、鋰電池、催化等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而且氧化鋅材料具有制備成本低，化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性好，制備可控且形貌豐富等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的濕度傳感器材料。另外由于納米材料本身具有的形貌、結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢，氧化鋅納米材料對外部環(huán)境的濕度等十分敏感，具有明顯的濕敏特性。
[0027]濕度傳感器是指利用濕敏材料吸附水分子后，被測量量發(fā)生變化的原理制成的。普遍接受的理論是空氣中的水分子吸附在敏感材料表面和晶界處時，降低了材料的表面和晶界電阻。
[0028]針對現(xiàn)有濕敏傳感器靈敏度不高、響應(yīng)恢復(fù)時間長等問題，本方案基于氧化鋅納米材料，制備了具有較大比表面積的氧化鋅納米線，并結(jié)合導(dǎo)電率高的石墨烯材料，制成濕敏傳感器。
[0029]本發(fā)明濕敏傳感器由濕敏敏感元件部分和數(shù)據(jù)讀取元件部分組成。其中，濕敏敏感元件基于氧化鋅納米線，再結(jié)合石墨稀材料制成，器件結(jié)構(gòu)為叉指電極型，在濕敏傳感器周邊濕度變化的情況下，水分子吸附在敏感材料表面和晶界的速率會發(fā)生變化，引起敏感材料的導(dǎo)電率發(fā)生變化，進(jìn)而從讀取元件部分反映出其電容變化;數(shù)據(jù)讀取元件帶有微處理器，其是向敏感元件施加特定頻率的電壓，根據(jù)敏感元件在該電壓下電容的變化讀取不同的數(shù)值來顯示環(huán)境濕度的變化。
[0030]下面結(jié)合【附圖說明】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0031 ]圖1為本發(fā)明環(huán)境監(jiān)測裝置的示意圖。
[0032]圖2為傳感器敏感元件部分示意圖。其中:10_硅片襯底，20-Si_NPA，30-氧化鋅納米線，40-石墨稀層。
[0033]結(jié)合以下實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0034]實(shí)施例1:
[0035]如圖1所示的一種具有輸入輸出濕度數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測裝置，所述環(huán)境監(jiān)測裝置I的外部安裝有ZnO基濕敏傳感器模塊2;所述ZnO基濕敏傳感器模塊2主要由濕敏敏感元件和數(shù)據(jù)讀取元件組成。如圖2所示，所述濕敏敏感元件為叉指電極型，其包括硅片襯底10、S1-NPA20、氧化鋅納米線30和石墨烯層40;所述環(huán)境監(jiān)測裝置的輸出電線側(cè)壁上設(shè)置有一個用于脫濕的聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纖維復(fù)合膜組件，該膜組件將聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纖維復(fù)合膜固定在玻璃電極上，玻璃電極與濕敏傳感器連接;所述氧化鋅納米線30長度約6μηι。
[0036]優(yōu)選地，所述濕敏敏感元件的制備方法如下:
[0037]步驟一，制備S1-NPA襯底:對3cm X 3cm的硅片襯底進(jìn)行包括清洗去污、水熱法腐蝕制備S1-NPA襯底;①取3cm X 3cm的