一种基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器及其制备方法

技术领域

本技术涉及湿度传感领域，具体涉及一种基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器及其制备方法。

背景技术

人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的发展，在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。因此，加大对湿度传感器的研究就变得非常重要。

近年来，随着微流体技术的不断发展，被应用于各个领域中。微流控芯片具有强大的集成性，能够同时并行处理大量不同样本，具备分析快、耗能少、污染低等特性，因此被广泛应用在医学诊断、化学分析、细胞筛选、药物运输、传感器、检测器等方面。本发明中将自组装金纳米颗粒与微流控技术相结合制造了具有高灵敏度、超快速响应的湿度传感器。

发明内容

本发明提供了一种基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器，该湿度传感器包括：激光发射装置、调节装置、实验装置和接收装置；激光发射装置包括半导体激光器和支架，支架能够固定并调整半导体激光器；调节装置包括偏振片、四分之一波片、直角棱镜、升降台和偏振分光棱镜，升降台的设置能够使其上承受的直角棱镜中心透过激光；接收装置包括平衡探测器和电脑，平衡探测器一端接收激光，一端与电脑相连；激光发射装置、调节装置、实验装置和接受装置均能使其中心透过激光。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器，由以下方法制备而成：

步骤一、准备工作：利用超声波清洗机清洗玻璃片，依次使用洗洁精和纯水混合液，异丙醇，丙酮三种液体进行清洗；

步骤二、制备自组装金纳米薄膜：用酒精棉球给小型离子溅射仪进行消毒，将清洗好的玻璃片放入中间位置，调整好需要的时间，启用仪器进行溅射；

步骤三、将制备的自组装金纳米薄膜与处理好的 PDMS 微流体通道进行键合，制成微流体通道；

步骤四、制备湿度传感器的多层膜耦合结构：使用匹配液将做好的微流体通道和清洗干净的直角棱镜进行贴合，得到所述湿度传感器光学芯片；

步骤五、将所述湿度传感器光学芯片接入到光路中，进行实验。

利用上述湿度传感器光学芯片对湿度检测的步骤包括：

步骤一、将所述湿度传感器光学芯片放置于升降台上；

步骤二、调整各部分装置高度，使其所述激光发射装置、调节装置、实验装置和接受装置均能使其中心透过激光；调节半导体激光器、偏振片和四分之一波片，获得稳定的圆偏振光光束射入湿度传感器光学芯片，并在多层膜耦合结构处发生全反射；

步骤三、记录平衡检测器检测到的两种模式的光功率信号，并将两种模式的光功率信号之差以电压信号的方式在电脑上呈现出；

步骤四、通过改变说话的距离控制变量，得到电压信号与说话距离的关系，从而得到湿度的变化曲线。

进一步的：自组装金纳米薄膜的厚度为6 ~ 8nm。

进一步的：通过低空溅射法制备金纳米薄膜时，可自主调控溅射厚度和溅射间隙。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器，在多层膜耦合结构中使用的是自组装金纳米薄膜，金纳米薄膜对不同的偏振光存在不同的吸收行为，并且对折射率的改变非常敏感，为湿度传感器做了好的基础。在应用时，改变外界的湿度，即改变n2介质的折射率，金纳米薄膜对折射率的改变非常的敏感，从而转化为对偏振光吸收的差异，通过平衡探测器进行接收，最后在电脑上进行呈现。所以本发明具有对湿度检测高灵敏度的特点，因此具有良好的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步说明。

附图说明

图一是本发明涉及的自组装金纳米薄膜的扫描电镜（SEM）图。

图二是本发明涉及的自组装金纳米薄膜的原子力显微镜（AFM）图。

图三是湿度传感器的多层膜耦合结构。

图四是湿度传感器光路实验图。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好地理解本发明，以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

本实施例选用湿度传感器的自组装金纳米薄膜，本湿度敏感层是由低空溅射法制备的金纳米薄膜，具体的工艺步骤为：

（1）清洗玻璃片。首先取少量洗洁精，用大拇指指肚均匀搓石英片两面，用纯水冲洗；接下来，将其放入装有洗洁精和纯水混合液的烧杯中，利用超声波清洗，然后用医用镊夹其边角拿出，用纯水清洗，再用氩气吹干；然后分别放入装有异丙醇，丙酮烧杯中，重复上述步骤；将清洗干净的玻璃片放入培养皿中备用。

（2）溅射金纳米薄膜。操作前，取棉球蘸取酒精擦拭小型离子溅射仪外侧，防止溅射过程中吸入灰尘；然后将清洗好的玻璃片放入中间部位，以使溅射密度和厚度更加均匀；设置好需要溅射的时间，溅射30s ~ 50s之间；然后启用溅射仪开始溅射；将溅射好的玻璃片放入培养皿中备用；自组装金纳米薄膜的SEM图和AFM图如图一、二所示。

实施例二

本实施例选用湿度传感器的多层膜耦合结构，本结构中的湿度敏感层是由低空溅射法制备的金纳米薄膜，此多层膜耦合结构的具体工艺步骤为：

（1）制作PDMS翻模。将基液和聚合剂按比例混合均匀，真空干燥箱除气泡后浇在硅烷化的母版上，放入恒温干燥箱中加热，使其聚合成透明弹性体；然后按照所需要的的尺寸从母版上切下；用保鲜膜包好备用。

（2）PDMS微流体通道和金纳米薄膜键合。选取合适的PDMS微流体，按照母版的形状将中间位置切掉，只留四周；通过用手擦出的与PDMS微流体通道形状大小一致的需要保留的金纳米薄膜部分；将打好孔的PDMS微流体通道和处理好的金纳米薄膜部分一起放入氧等离子体刻蚀机中进行处理；将处理好的PDMS微流体预留的中间位置对准金纳米薄膜部分，进行永久键合；就得到了自组装金纳米薄膜湿度传感器的传感元件。

（3）湿度传感器多层膜耦合结构的制作。用酒精将做好的传感元件和直角棱镜擦拭干净，使用匹配液将传感元件和直角棱镜粘合在一起，就得到了湿度传感器多层膜耦合结构；湿度传感器的多层膜耦合结构如图三所示。

实施例三

本实施例选用基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器，该传感器实验光路如图四所示：

（1）湿度传感器的实现，本实验光路选用波长为 532nm 的半导体连续激光器301作为入射光光源；入射光经过偏振片302和四分之一波片303被调整为圆偏光，圆偏光经过反射镜304进行反射，然后经过直角棱镜305进行全内反射；反射光经过偏振分光棱镜306分为 p，s偏振光；p偏振光经过第二反射镜307进行反射，再经过光阑308消除杂散光；s偏振光直接经过光阑308消除杂散光；最后，p，s偏振光同时被平衡探测器309探测，最后在电脑310上以电压的形式输出。

（2）湿度测量：首先调出一个灵敏度高的点，保证有一个比较平稳且灵敏度高的曲线；然后保持上述实验光路不动，靠近湿度传感器传感元件的中间说话，重复并保持说话距离，观察输出的曲线图；接下来改变说的话并保持与之前相同的距离，观察输出的曲线图；通过曲线图的不同来判断说的话相同或者不同。

综上所述：一种基于自组装金纳米薄膜的湿度传感器。该发明由以下部分组成：1.自组装金纳米薄膜的制备；2. 湿度传感器的多层膜耦合结构的制备；3.实现自组装金纳米薄膜湿度传感器的光路的构建，该发明具有制备工艺简单、低成本、好操作等优势，利用金纳米薄膜对偏振光吸收差异的特点制成的湿度传感器具有高灵敏度、超快速响应等优点，可用于诸多湿度测量、监控领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本构思的前提下，做出的若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。