湿度传感单元、湿度传感器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种湿度传感单元、湿度传感器及其应用。所述湿度传感单元，其包括纳米光栅以及层叠于所述纳米光栅表面的吸湿材料层；所述纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。该湿度传感单元具备非常高的灵敏度和相对简单的制作成本，可以广泛应用到实际的湿度传感检测中。

【技术实现步骤摘要】
湿度传感单元、湿度传感器及其应用
本专利技术涉及传感器
，特别是涉及一种湿度传感单元、湿度传感器及其应用。
技术介绍
许多工业过程，如制药、汽车和食品储存等都会受到空气湿度的严重影响。此外，湿度的控制对人体的舒适和健康也是必不可少的。因此，连续湿度监测在工业、医疗保健和智能家居等领域具有重要的应用前景。为了满足这些特殊的应用，理想的湿度传感器不仅要求具有高灵敏度、快速可靠的响应性能，而且需要控制成本、易于制备。传统的湿度传感器一般是基于电读出，即监测水分敏感元件在吸水/脱水过程中的电响应(即电阻、电容或电流)变化。该方法具有响应速度快、灵敏度高、迟滞小等优点。然而，也存在着一些问题，如它们往往无法在恶劣的环境中工作，也无法迅速从饱和状态恢复。与电传感器相比，光学传感器由于具有遥感能力和抗电磁干扰能力，可以克服这些局限性。湿敏材料，如陶瓷和聚合物，可以以可逆的方式从空气中吸收/释放大量的水分。这一过程导致了湿敏材料在结构、机械、电学和光学特性等方面的变化，可用于检测相对湿度。迄今为止，在传感机理方面，已经成功开发出三种不同设计理念的光学湿度传感器。第一种方法是利用湿敏涂层吸水后局域折射率的变化。大多数这种类型的湿度传感器是基于集成了湿敏涂层的光纤。但是由于光纤中构造传感结构的复杂性，这种光纤传感器的制备工艺比较复杂，结构相对脆弱，并且操作不便，导致应用成本较高。第二种方法是利用湿敏材料的杨氏模量随湿度的变化。这种湿度传感器通常由可拉伸基底上的湿敏聚合物薄膜构成。聚合物薄膜吸湿前后在溶胀应力的作用下从光滑表面过渡到起皱表面来实现光学可调性。例如，PVA/PDMS双层膜的透射调制深度从15％到90％不等，快速响应时间在1s以内。然而，由于从平滑到褶皱过渡过程中透射变化的非线性，测量湿度时，其湿度传感具有非常有限的线性动态范围。因此，该方案优选用于构建湿度报警器而不是检测器，并且不适用于监测环境相对湿度或其它定量的湿度传感应用。第三种是依赖于湿敏材料薄膜的溶胀(通常是厚度变化)。例如银-壳聚糖-银多层膜构成的FP腔型湿度传感器。在这种结构中，FP模的谐振波长由有效腔长决定，而有效腔长由壳聚糖的厚度决定(反射指数变化的影响很小)。遗憾的是，由于顶层银膜的阻隔，水分很难渗透到壳聚糖层中，导致实际应用的响应时间达1500秒左右。到目前为止，很少有光学传感器能够表现出比电学传感器更好的湿度传感性能，如灵敏度、制作成本等方面。
技术实现思路
基于此，本专利技术提供一种湿度传感单元、湿度传感器及其应用。该湿度传感单元具备非常高的灵敏度和相对简单的制作成本，可以广泛应用到实际的湿度传感检测中。本专利技术的一方面，提供一种湿度传感单元，其包括纳米光栅以及层叠于所述纳米光栅表面的吸湿材料层；所述纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。在其中一个实施例中，所述纳米光栅为周期性纳米阵列，选自一维纳米槽阵列和二维纳米孔洞阵列中的至少一种。在其中一个实施例中，所述纳米光栅的周期为300nm～2000nm。在其中一个实施例中，所述纳米光栅的凹槽深度或孔洞深度为50nm～1000nm。在其中一个实施例中，所述纳米光栅的凹槽宽度或孔洞直径为150nm～450nm。在其中一个实施例中，所述纳米光栅的材料选自金、银、铝和钯中的至少一种。在其中一个实施例中，所述吸湿材料层的材料选自聚乙烯醇、壳聚糖、丝蛋白和聚丙烯酸中的至少一种。在其中一个实施例中，所述吸湿材料层的厚度范围在300nm～1000nm。本专利技术的另一方面，提供一种湿度传感器，包括衬底、层叠于所述衬底之上的环氧树脂层，以及层叠于所述环氧树脂层之上的所述的湿度传感单元。本专利技术的另一方面，提供所述的湿度传感单元或所述的湿度传感器在湿度检测中的应用。与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术通过将吸湿材料和纳米光栅相结合，创新性地提出一种新型的湿度传感单元，这种湿度传感单元可以支持一系列窄线宽、高品质因子的混合波导模式和表面等离激元模式，具有很高的灵敏度，能够记录下更微小的湿度变化，具备高的相对湿度分辨率，且制作成本低。此外，本专利技术提出的湿度传感单元兼容于半导体微加工技术，具备更好的集成性和测试稳定性。附图说明图1为本专利技术一实施例提供的湿度传感器的结构示意图；图2为图1所示湿度传感器的制作方法步骤S1的示意图；图3为在图2基础上进行电子束光刻形成的PMMA光栅掩膜的示意图；图4为在图3基础上进行反应离子束刻蚀形成的硅光栅的示意图；图5为在图4基础上沉积金形成纳米槽周期阵列金膜结构的示意图；图6为在图5基础上进行复制得到的在玻璃片上的多层结构的示意图；图7为在图6的基础上将硅光栅模板分离得到的多层结构示意图；图8为本专利技术一实施例采用的环境湿度实时监测的测试装置示意图；图9为本专利技术一实施例制作得到的聚乙烯醇/一维金纳米光栅结构的截面电镜图；图10为本专利技术一实施例的湿度传感器在10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％RH下的代表性反射谱；图11为本专利技术一实施例的湿度传感器的谐振波长与相对湿度之间的关系图；图12为本专利技术一实施例的湿度传感器的相对反射率变化与相对湿度之间的关系图；图13为本专利技术一实施例的湿度传感器在10％到75％RH范围内9个循环下的反射率随时间的变化图；图14为本专利技术一实施例的湿度传感器在波长模式和强度模式下对环境湿度监测与商用湿度计的比较图；图15为本专利技术一实施例(吸湿层厚度为300nm)的湿度传感器在10％到75％RH下的反射谱图、谐振波长与相对湿度之间的关系图、相对反射率变化与湿度之间的关系图。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术的湿度传感单元、湿度传感器及其应用作进一步详细的说明。本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术公开内容理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本专利技术提供一种湿度传感单元，其包括纳米光栅以及层叠于纳米光栅表面的吸湿材料层；纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。上述湿度传感单元是通过下述原理进行湿度检测的：该湿度传感单元由上层的吸湿材料层和下层具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅组成：(1)上层的吸湿材料不是单纯的湿敏涂层，而是作为一个光学波导层，支持一系列波导模，底层的纳米光栅作为一个反射镜，提供一个由表面等离激元谐振调谐的反射相位，进而调控波导模的谐振波长；纳米光栅本身的周期性提供了波导模的水平动量，也可以调控波导模的谐振波长；这种光学-表面等离激元混合波导可以支持高品质因子(窄线宽)的波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种湿度传感单元，其特征在于，其包括纳米光栅以及层叠于所述纳米光栅表面的吸湿材料层；/n所述纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。/n

【技术特征摘要】
1.一种湿度传感单元，其特征在于，其包括纳米光栅以及层叠于所述纳米光栅表面的吸湿材料层；
所述纳米光栅为具有表面等离子激元效应的金属纳米光栅。


2.根据权利要求1所述的湿度传感单元，其特征在于，所述纳米光栅为周期性纳米阵列，选自一维纳米槽阵列和二维纳米孔洞阵列中的至少一种。


3.根据权利要求2所述的湿度传感单元，其特征在于，所述纳米光栅的周期为300nm～2000nm。


4.根据权利要求2所述的湿度传感单元，其特征在于，所述纳米光栅的凹槽深度或孔洞深度为50nm～1000nm。


5.根据权利要求2所述的湿度传感单元，其特征在于，所述纳米光栅的凹槽宽度或孔洞直径为150nm～450nm。

【专利技术属性】
技术研发人员：金崇君，王冠初，沈杨，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44