基于单壁碳纳米管离子通道的MEMS聚电解质湿度传感器

Humidity is one of the most frequently measured physical quantities,however, hygrometry appears extremely complex. For many funtamental scientific projects such as sub-orbital atmospheric analysis and large hadron collider experiments, even the state-of-the-art humidity sensors cannot meet all requirements at all times and in all place. In this proposal, a polyelectrolyte humidity sensor based on single-walled carbon nanotube(SWCNT) ion channels is introduced. Aiming at high-end applications in which a combination of high sensitiviy,selectivity and stability is required, this device transduces air humidity into a self-built electric potential between its electrodes resulting from the controlled ion transport process in SWCNT ion channels. The proposed investigation on the ion transportation in SWCNT ion channels between solid polyelectrolyte films is important for a rational understanding of the one-dimensional movement of molecules/ions in geometrically confined space, and the latter still remains an open fundamental physical problem. A series of polyelectrolyte with well-defined molecular structure synthesized by controlled/living radical polymerization will be synthesized for modeling the electrolyte material of humidity sensors, endeavoring to overcome the current difficulties in modeling caused by the broad molecular weight distribution of most polyelectrolyte materials used so far. The suggested research on MEMS process by which SWCNT ion channels can be built between patterned polyelectrolyte films is critical for the fabrication of this new MEMS humidity sensor. Meanwhile, it also contributes to the development and enrichment of MEMS sensor fields.

湿度是最常测量的物理量之一，但精确测量却极其困难，目前技术难以满足大气监测与聚变工程等大型基础科研项目对湿度测量的全部要求。本项目提出基于单壁碳纳米管离子通道的聚电解质湿度传感器，利用单壁碳纳米管离子通道中的可控离子传输过程，实现基于湿度的以自建电势为输出信号的湿度传感原理，对面向高选择性、高灵敏度、高稳定性应用要求的湿度传感器提供了新的解决方案。提出研究碳纳米管作为离子通道在固态聚电解质之间的离子传输过程的科学问题，对分子/离子在受限空间内的一维运动这一基本物理问题的研究具有重要意义。提出以分子结构精确可控的活性自由基聚合合成的聚电解质为模型，开展基于电解质型吸湿材料的湿度传感器的理论研究工作，有望解决目前使用的宽分子量分布聚电解质导致的建模困难问题。提出在固体聚电解质薄膜微图形之间构建碳纳米管离子通道的研究，不但有望形成一种新型MEMS湿度传感器，且丰富了MEMS传感器的研究领域。

湿度作为最常测量的物理量之一，其测量却极其复杂，目前的技术难以满足大型基础科研项目对湿度测量的全部要求。本项目利用单壁碳纳米管离子通道中的可控离子传输过程，对以自建电势为输出信号的新原理湿度传感器进行了探索性研究。通过对聚电解质/SWCNT湿度传感器中绝对湿度与离子电流电势的响应关系以及机理的研究、聚电解质分子结构和SWCNT的几何参数对传感器信号输出的影响规律、传感器性能的多目标优化方法的研究，以及MEMS工艺兼容的湿度传感器加工工艺与测试方法研究，初步完成了研究目标。.项目组在一维纳结构阵列的特征参数提取和模型重构方法的研究上取得了重要突破：一方面可以通过基于边缘提取和分水岭算法分割/融合技术以及ROI区域矩量计算的图像处理技术，从SEM图像中提取一维纳结构的长度、直径和取向等结构参数的统计平均值；另一方面通过自行编写的基于JAVA代码的App克服了目前大多数软件中普遍存在的随机结构矩阵建模的困难问题，成功构建了更加接近真实场景的包含任意数量一维纳结构单元的随机阵列模型，用于研究长度、直径、间距和取向等参数的随机性对材料和器件性能的影响。目前该结构参数提取和模型重构方法作为重要研究内容已经获得国家973计划专题的资助。.此外，还合成了一种具有支化结构的聚电解质，不仅具备较强的吸水能力，还通过氢键作用同时具备了和硅基底与金属电极的结合力。最后，为了解决新器件的标定问题，特别设计了一种可精确检测质量的积分式电离式传感器，由于特殊的气体流道结构和硅纳米线阵列的共同作用，该传感器对少量水分子的相应速度极快，能够将通过流道的水分子总质量转换为电流信号的积分。对试制的湿度传感器样机在1.5~21 g/m3的绝对湿度范围内进行了标定，总体来说器件在测试范围内能获得较好的线性输出（输出电压为200-800 mV），但在较高湿度下逐渐偏离线性特性，并且在中低湿度区间的波动较大。