CN101078704A - 聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件及其制作方法。它是以微晶玻璃为基片，其上有多对叉指金电极，在微晶玻璃片基体和叉指金电极表面涂覆有交联季胺化的聚4－乙烯基吡啶和聚吡咯复合湿敏薄膜。本发明制备工艺简单，成本低，尤其适用于批量生产。所制备的湿敏元件在宽的湿度范围，特别是在中低湿(0～60％RH)环境下均具有阻抗值适中，灵敏度高，线性度好，响应快，回复性佳，稳定性强，在室温下检测等特点，可广泛应用于工农业生产过程，仓储，大气环境监测时对于环境湿度精确测量与控制。

Description

聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件及其制作方法。

背景技术

精确测量湿度在工农业生产和环境监测中具有重要作用，这为湿度传感器的发展提供了广阔的空间。高分子材料湿度传感器近年来发展十分迅速，相比传统的陶瓷材料湿度传感器，它具有响应特性好，测量范围宽，稳定性好，可室温检测，易于集成化，小型化批量生产，价格低廉等特点。其中高分子电阻型湿度传感器，它能与目前集成电路技术很好相容，易于集成系统中实现湿度测量和控制，现在已经成为湿度传感器发展的重要方向之一。然而，传统聚合物湿敏材料制备的高分子电阻型湿度传感器，依靠纯离子导电，低湿时离子迁移率低，电阻值过大而难以测定，严重阻碍了其发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种在中低湿(0～60％RH)环境下具有阻抗值适中，灵敏度高，线性度好，响应快，回复性佳，稳定性强，可室温检测的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件及其制作方法。

本发明的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件具有微晶玻璃基体，在微晶玻璃基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在微晶玻璃片基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜，湿敏薄膜为交联季胺化的聚4-乙烯基吡啶和聚吡咯复合膜。

聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件的制作方法，包括以下步骤：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的微晶玻璃基片，烘干备用；

2)将聚4-乙烯基吡啶与1，4-二溴丁烷溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶单元与1，4-二溴丁烷的摩尔比为1∶0.5～2，配制成聚合物浓度为10～30毫克/毫升的溶液，在30℃放置4～12h，得到前驱体溶液；

3)采用浸涂机将步骤1)的微晶玻璃叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5～2分钟，提拉取出后，80～140℃温度下交联季胺化2～12h，在微晶玻璃叉指金电极表面形成聚电解质基底膜；

4)将过硫酸铵和4-甲基苯磺酸同时溶解于去离子水中，过硫酸铵和4-甲基苯磺酸的质量比为1∶0.2～3，过硫酸铵浓度为0.2～4毫克/毫升，得到溶液A；

5)采用浸涂机将经过步骤3)处理的微晶玻璃叉指金电极浸渍于溶液A中1～6分钟，晾干后，在0～50℃的饱和吡咯蒸汽中气相聚合1～12h，经无水乙醇洗涤，50～80℃烘干，得到聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件。

上述的微晶玻璃片基体表面的叉指金电极有8～16对，叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

本发明的优点是：

1)所制备的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件是将聚电解质湿敏材料与本征导电聚合物两者的优点结合起来，利用本征导电聚合物的优良导电性，尤其是在低湿环境下的导电性，和聚电解质湿敏材料对湿度的高灵敏度响应，通过调节两者的组成比，使复合湿敏膜在宽的湿度范围内，特别是中低湿(0～60％RH)下也具有适当的电阻，同时又具有较高的感湿灵敏度等优良湿敏响应特性；

2)所制备的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件以交联季胺化聚4-乙烯基吡啶为基底膜材料。这种基底膜材料在较宽的湿度范围(＞33％RH)内具有很高的感湿灵敏度，而且在半对数坐标下响应线性度好；

3)制备聚电解质基底膜时，前驱体溶液经过预交联，可改善前驱体溶液的稳定性，利于提高制备基底膜的一致性和湿敏元件的成品率；

4)所制备的基底膜经热处理发生交联季胺化反应，具有交联结构，可有效提高基底膜的稳定性和耐水性；同时热处理也可以消除基底膜中残存的高沸点溶剂，减少其对于基底膜形貌的影响，提高基底膜的稳定性；

5)所制备的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件中引入聚吡咯，它在低湿下也具有很好的导电性，能有效的降低复合湿敏元件的阻抗。其与具有高的感湿灵敏度的聚电解质基底膜复合，使复合湿敏元件在中低湿(0～60％RH)时也具有良好的感湿灵敏度，响应线性度和回复性；

6)所制备的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件中导电聚合物膜是通过气相聚合生长得到，气相聚合可以使复合膜更加均匀，平整，从而提高元件的一致性和成品率；同时可很方便的通过改变气相聚合生长温度，时间，以及氧化剂过硫酸铵和掺杂剂4-甲基苯磺酸浓度等参数，调节复合湿敏元件中聚吡咯的含量，控制复合湿敏元件的阻抗；

7)采用的浸涂方法和气相聚合生长方法制备元件，简便易行，元件一致性好，成品率高，适于批量生产；

8)本发明的湿敏元件具有体积小，低成本，使用方便等优点。叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm的电极结构可使湿敏元件电阻降低，检测范围加宽，响应灵敏度提高，同时也可提高其稳定性。该湿敏元件可广泛应用于工农业生产过程，仓储，大气环境监测时对于环境湿度精确测量与控制。

附图说明

图1是本发明的湿敏元件的结构示意图；

图2是聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件基底膜和复合膜的湿敏响应特性曲线(半对数坐标)；

图3是聚电解质体征导电聚合物复合湿敏元件的响应时间曲线；

图4是不同气相聚合温度下制得的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件在宽湿度(0～98％RH)范围时的湿敏响应特性曲线(半对数坐标)；

图5是不同气相聚合温度下制得的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件在中低湿(0～60％RH)时的湿敏响应特性曲线(线性坐标)；

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

参照图1，聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件具有微晶玻璃基体1，在微晶玻璃基体表面有多对叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线4，在微晶玻璃片基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜3，湿敏薄膜3为交联季胺化的聚4-乙烯基吡啶和聚吡咯复合膜。

所说的微晶玻璃片基体表面的叉指金电极有8～16对，叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

实施例1：

1)用无水乙醇和丙酮浸泡清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的微晶玻璃基片，烘干备用；

2)将聚4-乙烯基吡啶与1，4-二溴丁烷溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶单元与1，4-二溴丁烷的摩尔比为1∶0.5，配制成聚合物浓度为10毫克/毫升的溶液，在30℃放置4h，得到前驱体溶液；

3)采用浸涂机将步骤1)的微晶玻璃叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5分钟，提拉取出，80℃温度下交联季胺化12h，在微晶玻璃叉指金电极表面形成聚电解质基底膜；

4)将过硫酸铵和4-甲基苯磺酸溶解于去离子水中，过硫酸铵和4-甲基苯磺酸的质量比为1∶0.2，过硫酸铵浓度为0.2毫克/毫升，得到溶液A；

5)采用浸涂机将经过步骤3)处理的微晶玻璃叉指金电极浸渍于溶液A中1分钟，晾干后，在0℃的饱和吡咯蒸汽中气相聚合12h，经无水乙醇洗涤，50℃烘干，得到聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件。

实施例2：

1)电极清洗同实施例1；

2)将聚4-乙烯基吡啶与1，4-二溴丁烷溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶单元与1，4-二溴丁烷的摩尔比为1∶2，配制成聚合物浓度为30毫克/毫升的溶液，在30℃放置12h，得到前驱体溶液；

3)采用浸涂机将步骤1)的微晶玻璃叉指金电极浸渍于前驱体溶液中2分钟，提拉取出，140℃温度下交联季胺化2h，在微晶玻璃叉指金电极表面形成聚电解质基底膜；

4)将过硫酸铵和4-甲基苯磺酸溶解于去离子水中，过硫酸铵和4-甲基苯磺酸的质量比为1∶3，过硫酸铵浓度为4毫克/毫升，得到溶液A；

5)采用浸涂机将经过步骤3)处理的微晶玻璃叉指金电极浸渍于溶液A中6分钟，晾干后，在50℃的饱和吡咯蒸汽中气相聚合1h，经无水乙醇洗涤，80℃烘干，得到聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件。

实施例3：

1)电极清洗同实施例1；

2)将聚4-乙烯基吡啶与1，4-二溴丁烷溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶单元与1，4-二溴丁烷的摩尔比为1∶1，配制成聚合物浓度24毫克/毫升的溶液，在30℃放置12h，得到电解质前驱体溶液；

3)采用浸涂机将步骤1)的微晶玻璃叉指金电极浸渍于前驱体溶液中1分钟，提拉取出，110℃温度下交联季胺化10h，在微晶玻璃叉指金电极表面形成聚电解质基底膜；

4)将过硫酸铵和4-甲基苯磺酸溶解于去离子水中，，过硫酸铵和4-甲基苯磺酸的质量比为1∶2，过硫酸铵浓度为1.5毫克/毫升，得到溶液A；

5)采用浸涂机将经过步骤3)处理的微晶玻璃叉指金电极浸渍于溶液A中4分钟，晾干后，在25℃的饱和吡咯蒸汽中气相聚合4h，经无水乙醇洗涤，70℃烘干，得到聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件。本例制得的湿敏元件的聚电解质基底膜和聚电解质/本征导电聚合物复合膜的湿敏响应特性见图2，由图可见，复合本征导电聚合物后，在中低湿都具有适中的阻抗值，方便湿度测量。湿敏元件的响应时间特性见图3，由图可见，湿敏元件具有响应快，回复性好特性。

图4所示为气相聚合温度分别为3℃，25℃时的聚电解质/本征导电聚合物复合膜湿敏元件的湿敏响应特性曲线(半对数坐标)，由图可见，复合湿敏元件在宽的湿度(0～98％RH)范围内都具有灵敏度较高，线性度较好的特性。

图5所示为气相聚合温度分别为3℃，25℃时的聚电解质/本征导电聚合物复合膜湿敏元件的湿敏响应特性曲线(线性坐标)，由图可见，复合湿敏元件在线性坐标时，在中低湿(0～60％RH)下具有很好的线性度和灵敏度。

Claims (4)

1.聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件，其特征在于：它具有微晶玻璃基体(1)，在微晶玻璃基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极(2)，在叉指金电极上连接有引线(4)，在微晶玻璃片基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜(3)，湿敏薄膜为交联季胺化的聚4-乙烯基吡啶和聚吡咯复合膜。

2.根据权利要求1所述的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件，其特征在于微晶玻璃片基体表面的叉指金电极有8～16对，叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

3.根据权利要求1所述的聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的微晶玻璃基片，烘干备用；

2)将聚4-乙烯基吡啶与1，4-二溴丁烷溶解于N，N-二甲基甲酰胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶单元与1，4-二溴丁烷的摩尔比为1∶0.5～2，配制成聚合物浓度为10～30毫克/毫升的溶液，在30℃放置4～12h，得到前驱体溶液；

3)采用浸涂机将步骤1)的微晶玻璃叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5～2分钟，提拉取出后，80～140℃温度下交联季胺化2～12h，在微晶玻璃叉指金电极表面形成聚电解质基底膜；

4)将过硫酸铵和4-甲基苯磺酸同时溶解于去离子水中，过硫酸铵和4-甲基苯磺酸的质量比为1∶0.2～3，过硫酸铵浓度为0.2～4毫克/毫升，得到溶液A；

5)采用浸涂机将经过步骤3)处理的微晶玻璃叉指金电极浸渍于溶液A中1～6分钟，晾干后，在0～50℃的饱和吡咯蒸汽中气相聚合1～12h，经无水乙醇洗涤，50～80℃烘干，得到聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件。

4.根据权利要求3所述聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件的制作方法，其特征在于：所说的叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

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