一种柔性纳米金刚石基温度传感器及其制备方法

1.本发明涉及纳米金刚石与温度传感器技术领域，特别是指一种柔性纳米金刚石基温度传感器及其制备方法。


背景技术：

2.温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。温度传感器是指能够将环境的实时温度转化为一些电信号(电流、电阻、电压等)的器件。
3.在大多数温度传感设备中，往往存在制备过程复杂，耗费高，应用环境有限制和传感过程不能长时间连续等缺陷，在很大程度上不能满足人们的使用需求，极大地阻碍了热传导方面的发展。许多对温度敏感的材料，如聚合物、半导体材料和钙钛矿都已经被研究过。然而，大多数由这些材料制备的传感器灵敏度低、稳定性差，生物相容性低，限制了它们的应用。此外传统的温度传感器有相当一部分以陶瓷、玻璃或硅片等刚性材料作为衬底，虽然这类传感器有其独特的优势，但是刚性衬底对温度传感器在许多领域的应用产生了限制。因此开发出柔性传感器具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明提出本发明的目的在于针对上述传统温度传感器的不足，利用纳米金刚石设计出一种柔性纳米金刚石基温度传感器，在30-100摄氏度下能够稳定工作，而且制备方法简单，成本低。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种柔性纳米金刚石基温度传感器，包括从下到上依次设置的衬底、叉指电极和纳米金刚石层。
6.进一步地，纳米金刚石层由粒径3-5nm的纳米金刚石颗粒组成。
7.进一步地，衬底为聚对苯二甲酸二乙酯衬底。
8.进一步地，叉指电极为金叉指电极。
9.进一步地，所述温度传感器以电流值标定温度，温度测量范围为30-100℃。
10.进一步地，温度从30℃升到100℃的过程中，所述温度传感器的电流逐渐下降，当温度从100℃降到30℃的过程中，所述温度传感器的电流又恢复到原来的水平。
11.一种柔性纳米金刚石基温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
12.s1采用磁控溅射技术在聚对苯二甲酸二乙酯衬底上蒸镀一层金，然后利用光刻技术，在金层上刻出叉指形状，得到叉指电极；
13.s2将纳米金刚石的水分散液旋涂在步骤s1的叉指电极上，得到温度传感器。
14.进一步地，步骤s2中，纳米金刚石的水分散液的浓度为4-6mg/ml，纳米金刚石的水分散液的制备方法如下：将纳米金刚石分散到水中，进行超声处理。
15.进一步地，步骤s1中，磁控溅射技术的具体方法如下：将清洗后的聚对苯二甲酸二
乙酯衬底转移到真空腔体中，抽真空后蒸镀一层金，蒸镀时间为5min。
16.进一步地，步骤s1中，光刻技术的具体方法如下：
17.(1)首先在聚对苯二甲酸二乙酯衬底的金层上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先15-25s，600r/s，之后是45-55s，5000r/s；
18.(2)前烘：将旋涂好光刻胶的衬底进行前烘，前烘的条件为115℃加热90s；
19.(3)光刻：使用紫外光刻机和掩膜版进行曝光处理，曝光时间为10s；
20.(4)显影：曝光后在显影液中显影，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
21.(5)后烘：显影完成后，在115℃加热90s。
22.本发明的有益效果：
23.本发明设计的纳米金刚石基温度传感器制备方法简单，性能优异，具有良好的稳定性和柔性。除此之外，纳米金刚石具有高的比表面积，良好的光电性能，耐高温，耐腐蚀等优异性能，而且生产成本低，周期快，纳米金刚石低廉的价格和优异的性能也是该纳米金刚石基温度传感器的优势。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是纳米金刚石基温度传感器的结构原理图；
26.图2是纳米金刚石基温度传感器置于不同温度下的电压-电流曲线；
27.图3是纳米金刚石基温度传感器的电流随温度变化的实时测试；
28.图4是纳米金刚石基温度传感器的温度-电流曲线；
29.图5是纳米金刚石基温度传感器的分别在30摄氏度和100摄氏度的稳定性测试。
30.图1中，1为衬底，2为叉指电极，3为纳米金刚石层。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.如图1所示，一种柔性纳米金刚石基温度传感器，包括从下到上依次设置的衬底、叉指电极和纳米金刚石层，纳米金刚石层由粒径3-5nm的纳米金刚石颗粒组成，该纳米金刚石颗粒为爆轰法合成的，衬底为聚对苯二甲酸二乙酯衬底，叉指电极为金叉指电极。
34.所述聚对苯二甲酸二乙酯衬底切割为1.5
×
1.5cm。金叉指电极的叉指面积为500
×
250μm，叉指间距为5μm。纳米金刚石层为5mg/ml的纳米金刚石水分散液旋涂而成。
35.所述柔性纳米金刚石基温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
36.s1采用磁控溅射技术在聚对苯二甲酸二乙酯衬底上蒸镀一层金，然后利用光刻技术，在金层上刻出叉指形状，得到叉指电极；
37.磁控溅射技术的具体方法如下：
38.首先将双抛的聚对苯二甲酸二乙酯衬底分别在去离子水、酒精中超声清洗20min；将清洗后的聚对苯二甲酸二乙酯衬底转移到真空腔体中，抽真空后蒸镀一层金，蒸镀时间为5min。
39.光刻技术的具体方法如下：
40.(1)首先在聚对苯二甲酸二乙酯衬底的金层上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先20s，600r/s，之后是50s，5000r/s；
41.(2)前烘：将旋涂好光刻胶的聚对苯二甲酸二乙酯衬底进行前烘，前烘的条件为115℃加热90s；
42.(3)光刻：使用紫外光刻机和掩膜版进行曝光处理，曝光时间为10s；
43.(4)显影：将曝光后的样品在显影液中显影40s，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
44.(5)后烘：将显影完成后的样品在115℃加热90s。
45.s2将纳米金刚石的水分散液旋涂在步骤s1的叉指电极上，得到温度传感器，纳米金刚石的水分散液的浓度为5mg/ml，纳米金刚石的水分散液的制备方法如下：将纳米金刚石分散到水中，进行超声处理30分钟。
46.将制备后的柔性纳米金刚石基温度传感器置于不同温度环境下测试(所用仪器为半导体分析仪，4200)，测试结果如图2所示。从图中可以看到，从30℃升到100℃，该碳纳米金刚石基温度传感器的电流随着温度的升高而减小，即该温度传感器能够以电流值标定温度，达到温度传感的目的。
47.将制备后的柔性纳米金刚石基温度传感器置于温度持续变化的过程中测试其工作性能，如图3和4所示，测试结果显示随着温度从30℃升到100℃的过程中，器件的电流逐渐下降，当温度从100℃降到30℃的过程中，器件的电流又恢复到原来的水平，表明该纳米金刚石基温度传感器能够实时监测温度，对温度具有良好的灵敏性。
48.将制备后的柔性纳米金刚石基温度传感器分别置于30℃和100℃的环境中，测试其工作稳定性。测试结果如图5所示，不论是在30℃还是100℃，器件都能够稳定工作。
49.实施例2
50.本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤s2中，纳米金刚石的水分散液的浓度为4mg/ml。
51.步骤s1中，光刻技术的具体方法如下：
52.(1)首先在聚对苯二甲酸二乙酯衬底的金层上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先15s，600r/s，之后是45s，5000r/s；
53.(2)前烘：将旋涂好光刻胶的衬底进行前烘，前烘的条件为115℃加热90s；
54.(3)光刻：使用紫外光刻机和掩膜版进行曝光处理，曝光时间为10s；
55.(4)显影：曝光后在显影液中显影，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
56.(5)后烘：显影完成后，在115℃加热90s。
57.实施例3
58.本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤s2中，纳米金刚石的水分散液的浓度为6mg/ml。
59.步骤s1中，光刻技术的具体方法如下：
60.(1)首先在聚对苯二甲酸二乙酯衬底的金层上匀胶，旋涂光刻胶的条件为先25s，600r/s，之后是55s，5000r/s；
61.(2)前烘：将旋涂好光刻胶的衬底进行前烘，前烘的条件为115℃加热90s；
62.(3)光刻：使用紫外光刻机和掩膜版进行曝光处理，曝光时间为10s；
63.(4)显影：曝光后在显影液中显影，出现图案后用去离子水冲洗，去除残留的显影液，最后用氮气吹干；
64.(5)后烘：显影完成后，在115℃加热90s。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。