电容式碳纳米管湿敏传感器研究

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自1991年Iijima发现碳纳米管(CNTs)以来,碳纳米管以其比表面积大,吸附性能好,化学稳定性高,以及其独特的电学特性等性质而使得碳纳米管湿度传感器具有灵敏度高、稳定性好等优点,因此其具有良好的应用前景。本文主要进行了对碳纳米管湿敏传感器的研究。碳纳米管薄膜内部存在大量的具有各种孔径的毛细孔,水蒸气能够在这些毛细孔中发生毛细凝聚现象。根据此原理,利用丝网印刷方法制作了多壁碳纳米管(MWNTs)薄膜和掺杂低温玻璃粉的多壁碳纳米管(MWNTs-SiO2)薄膜。又因为水的相对介电常数(大约80)远大于空气(大约1),传感器电容随湿度变化而变化,因此能够进行湿度检测。据此制作了电容式碳纳米管湿敏传感器。将碳纳米管用丝网印刷工艺印制在铜电极上,制作了平行板电容式碳纳米管湿敏传感器。并利用单片集成差分电容检测电路对传感器电容信号进行处理,最终实现湿度到电压信号的转换。碳纳米管的使用可以有效降低水气的饱和蒸气压;同时还发现较小的极板间距能够提高传感器的灵敏度,此传感器具有响应速度较快和重复性好等优点。利用蒸镀和光刻的工艺制作出Al电极、利用丝网印刷方式制作出碳纳米管薄膜,从而制作出叉指电容式碳纳米管湿敏传感器。MWNTs薄膜的灵敏度在测试频率为1kHz左右时候最大(低于1kHz不稳定),为23%(相对湿度从11%到97%);而MWNTs-SiO2薄膜的灵敏度能提高到300%(相对湿度从11%到97%)以上,并且其具备更好的噪声特性;利用555多谐振荡器电路将传感器的电容信号转变为频率信号输出进行检测。发现经过工艺优化而制得的传感器的灵敏度更高,并且其感湿曲线具有较好的线性度。以上所做工作为下一步的研究工作奠定了较好的基础。
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