氧化石墨烯的濕敏特性及其在電容式濕度傳感器上的應(yīng)用研究.pdf

1、在如今數(shù)據(jù)時代，各種各樣的數(shù)據(jù)指引著人們的生產(chǎn)生活，這其中自然包括環(huán)境數(shù)據(jù)。濕度，作為環(huán)境數(shù)據(jù)中最為常用且重要的類型之一，不僅與人們的生活息息相關(guān)，還在醫(yī)療器械，食品質(zhì)量檢測，農(nóng)牧業(yè)，家用電器等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。隨著自動化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對濕度傳感器的要求越來越高，這對于濕度傳感器行業(yè)來說，既是機遇，又是挑戰(zhàn)。近年來，以石墨烯體系材料為代表的新型納米材料因其優(yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于濕度傳感器領(lǐng)域。本課題在研究梳狀電極和敏

2、感材料的前提下，利用 Materials Studio軟件和 COMSOL Multiphysics軟件有效的結(jié)合，設(shè)計出一款靈敏度高、響應(yīng)時間短、濕度范圍廣及可調(diào)的GO（氧化石墨烯，graphene oxide）電容式濕度傳感器。本論文的主要工作如下：
　　第一，理論分析。在電極結(jié)構(gòu)選擇方面，對比了現(xiàn)有典型的梳狀電極結(jié)構(gòu)和平行板電極結(jié)構(gòu)；在濕敏材料選擇方面，深入研究分析了石墨烯體系材料、空氣、多孔氧化物以及高分子聚合物作為濕敏材

3、料的優(yōu)缺點；在信號輸出方式選擇方面，對比分析了電阻式、電容式以及電感式傳感器，最終擬制作一個梳狀電極結(jié)構(gòu)的GO電容濕度傳感器。
　　第二，建模及仿真分析。(1)利用Materials Studio軟件，對雙層石墨烯表面介電常數(shù)及吸附H2O，NH3，NO2三種氣體后的介電函數(shù)（實部和虛部）和光學(xué)性質(zhì)變化（吸收率以及反射率）進行仿真分析，結(jié)果顯示石墨烯體系材料可用于對氧化型氣體的檢測。(2)利用COMSOL Multiphysics軟

4、件對石墨烯、GO以及GO-PMMA電容式濕度傳感器進行了模擬仿真，結(jié)果顯示GO對濕度最為敏感。(3)通過對GO電容式濕度傳感器靜態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)過程的分析討論，明確了傳感器電容值及其靈敏度與梳狀電極參數(shù)的關(guān)系。同時，仿真結(jié)果顯示本課題所設(shè)計的濕度傳感器具有較優(yōu)的性能，其相對濕度范圍為0-100％RH，當(dāng)使用Grimes C.A模型參數(shù)時，其靈敏度為7680 fF/%RH，比經(jīng)典結(jié)構(gòu)傳感器提升4.95倍，且其響應(yīng)時間為0.4 s，響應(yīng)速度