CN106596655B - 一种电阻型湿敏传感元件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能电阻型湿敏传感元件，包括湿敏传感元件基片和涂布在湿敏传感元件基片其表面的感湿薄膜，所述感湿薄膜由催化剂偶氮二异丁腈，溶剂四氢呋喃、苯乙烯、4VP在充满氮气的环境中通过常压溶液聚合反应生成，所述感湿薄膜通过真空烘干固定于湿敏传感元件基片其表面。本发明还提出了上述电阻型湿敏元件的制备方法。通过本发明的方案制作出的湿敏传感元件感应速度快，稳定性好，耐候性好，寿命长，同时制作过程耗时较短，具有显著的市场价值。

Description

一种电阻型湿敏传感元件的制备方法
技术领域
本发明涉及湿敏元件领域，特别涉及一种电阻型湿敏传感元件及其制备方法。
背景技术
常规湿度传感器采用高分子电解质湿敏材料进行感应湿度的变化，例如聚 y-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐，也有直接采用氯化锂(li3cl)与高分子材料络合等通过离子导电随湿度变化，阻抗变化进行感应的机理进行湿度传感器制作，这类传感器在商业应用时最大的问题在于一旦湿度进入高湿(>85％RH)状态，部分离子在在电场的作用下会析出到水分子膜中，尤其在结露状态下，水分子形成露珠，将部分离子直接带离敏感膜，时间一长，传感器的阻抗会逐渐变大，最终会失效。
这类络合物最大问题是离子在高分子层内的位置是不稳定的，亲水性物质过多，离子容易与水形成基团，通过水分子及电场力的左右会流失，从而影响产品的寿命与效果。
专利申请号为20111044321.2，名称为“电阻型湿敏元件及制备方法”的专利文件中，公开了一种电阻型湿敏元件，包括湿敏元件基片和设置在所述湿敏元件基片上的湿敏元件电极，它还包括依次设置在所述湿敏元件电极上的亲水低阻感湿薄膜和疏水高阻感湿薄膜，所述亲水低阻感湿薄膜是由氯化铵季铵盐制得的亲水低阻感湿薄膜，所述疏水高阻感湿薄膜是由硅烷季铵盐制得的疏水高阻感湿薄膜，所述亲水低阻感湿薄膜和所述疏水高阻感湿薄膜通过热交联工艺复合在一起。此项技术制作出的电阻型湿敏元件结构简单、性能优异，但是反应时间较长，且需要将两层不同的感湿薄膜通过热交联的方式结合，制作过程中容易出现不稳定因素，在增加产能时存在较大阻碍。
因此，需要研发一种制作耗时更短，且感应速度快，稳定性好，寿命长的电阻型湿敏传感元件。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在提出一种电阻型湿敏传感元件及其制备方法。
一种高性能电阻型湿敏传感元件，包括湿敏传感元件基片和涂布在湿敏传感元件基片其表面的感湿薄膜，所述感湿薄膜由偶氮二异丁腈、四氢呋喃、苯乙烯、4VP在充满氮气的环境中通过常压溶液聚合反应生成，所述感湿薄膜通过真空烘干固定于湿敏传感元件基片其表面。
进一步地，所述湿敏传感元件基片其材料为96％氧化铝陶瓷基板，所述湿敏传感元件基片上丝印印刷有叉指状导电层，湿敏传感元件基片其末端设置有引脚。
一种高性能电阻型湿敏传感元件的制备方法，包括以下步骤：
第一步：在充氮环境下将苯乙烯、4VP蒸馏提纯到纯度为99％。
第二步：在充氮环境，100℃水浴下，以2.0±0.1g偶氮二异丁腈为催化剂， 3000ml±50ml四氢呋喃为溶剂，加入200-300ml苯乙烯与1-2ml 4VP，在常压下，进行聚合反应，反应时间为7-10小时，生成聚苯乙烯-4VP聚合物。
第三步：将合成完毕后获得的溶液，通过加入蒸馏水，进行萃取，过滤后得到聚合物凝聚物，在真空状态下120℃烘干，4小时后，研磨成粉末。
第四步：称量适量的粉末，在粉末中加入5ml溴代正丁烷，30ml二甲基甲酰胺，配成溶液，并将制得的溶液在60℃-75℃下恒温水浴并磁力搅拌处理4小时。
第五步：取出溶液，将湿敏传感元件基片浸入溶液中9.0±0.1mm并保持3-5 秒进行浸涂，浸涂完毕后，通过表面流平，及自然干燥形成膜。
第六步：将成膜后的湿敏传感元件基片置于真空120℃下烘干，使湿敏传感器表面形成致密的厚度为15um-20um的感湿薄膜。
第七步：将具有感湿薄膜的湿敏传感元件基片置于25.0±0.1℃，60±0.5％rh 的环境下10min后进行检测分类，即得到电阻型湿敏传感元件。
本发明的优点在于选择了憎水性的本体材料(苯乙烯)，与季铵盐(4VP) 同时聚合形成致密的聚合物，在聚合材料上嵌入敏感基团，既保持元件敏感性，又兼具可靠性，成品传感器泡在水中30min，性能基本不变，同时又由于本体材料的良好的耐高温(120℃)特性，耐高湿性，与基板良好的结合性(耐刮檫)，使产品可应用于恶劣的环境中，性能更加稳定。
附图说明
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。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的0～60℃湿度阻抗特性曲线图。
具体实施方式
为了解决一般电阻型湿敏传感元件制作耗时较长，使用寿命较短且测量精度不高的问题，提供一种电阻型湿敏传感元件及其制备方法。
使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种高性能电阻型湿敏传感元件，包括湿敏传感元件基片1 和涂布在湿敏传感元件基片1其表面的感湿薄膜2，所述感湿薄膜2由催化剂偶氮二异丁腈，溶剂四氢呋喃、苯乙烯、4VP在充满氮气的环境中通过常压溶液聚合反应生成，所述感湿薄膜2通过真空烘干固定于湿敏传感元件基片1其表面。
进一步地，所述湿敏传感元件基片1其材料为96％氧化铝陶瓷基板，所述湿敏传感元件基片1上丝印印刷有叉指状导电层11，湿敏传感元件基片1其末端设置有引脚12。
一种高性能电阻型湿敏传感元件的制备方法，包括以下步骤：
第一步：在充氮环境下将苯乙烯、4VP蒸馏提纯到纯度为99％。
第二步：在充氮环境，100℃水浴下，以2.0±0.1g偶氮二异丁腈为催化剂， 3000ml±50ml四氢呋喃为溶剂，加入200-300ml苯乙烯与1-2ml 4VP，在常压下，进行聚合反应，反应时间为7-10小时，生成聚苯乙烯-4VP聚合物。
第三步：将合成完毕后获得的溶液，通过加入蒸馏水，进行萃取，过滤后得到聚合物凝聚物，在真空状态下120℃烘干，4小时后，研磨成粉末。
第四步：称量适量的粉末，在粉末中加入5ml溴代正丁烷，30ml二甲基甲酰胺，配成溶液，并将制得的溶液在60℃-75℃下恒温水浴并磁力搅拌处理4小时。
第五步：取出溶液，将湿敏传感元件基片1浸入溶液中9.0±0.1mm并保持3 秒进行浸涂，并注意在浸涂时需注意切勿将浸涂液浸到湿敏传感元件基片1的引脚12处，浸涂完毕后，通过表面流平，及自然干燥形成膜。
第六步：将成膜后的湿敏传感元件基片1置于真空120℃下烘干，使湿敏传感器表面形成致密的厚度为15um-20um的感湿薄膜2。
第七步：将具有感湿薄膜2的湿敏传感元件基片1置于25.0±0.1℃，60± 0.5％rh的环境下10min后进行检测分类，即得到电阻型湿敏传感元件。
实验测试：根据GB/T15768-95“电容式湿敏元件及湿度传感器总规范”、 SJ/T10431-93“湿敏元件用湿度发生器和湿度测试方法”、SJ20760-99“高分子湿度传感器总规范”进行测试，获得如下表的电性能参数表。
*元件使用在(85-120℃)时,需在高温下标定,器件外壳需另制
采用LCR数字电桥在1VAC/1KHZ对本发明获得的产品进行测定，获得如下表的湿度阻抗特性数据表。
15℃ 25℃ 35℃ 40℃ 55℃
30％ 518.8 352.8 256.7 241.3 137
35％ 347.6 261.8 143 137 80.33
40％ 277.2 166.6 93.6 81.53 50
45％ 172.8 92.8 60.3 52.7 33.38
50％ 96.3 60.6 41.43 34.3 22.05
55％ 70.8 40.4 29.12 24.25 15.88
60％ 56.2 29.5 20.8 17.71 12.17
65％ 43.3 21.1 15.61 13.12 9.02
70％ 31.3 15.44 11.51 10.09 6.58
75％ 22.6 11.84 8.74 7.35 4.64
80％ 15.8 9.13 6.52 5.46 3.38
85％ 10.48 6.55 4.52 3.89 2.48
90％ 7 4.6 3.15 2.65 1.807
单位:KΩ
*所有数据均由LCR数字电桥在1VAC/1KHZ测试所得。
本发明采用憎水性化合物苯乙烯(ST)，与四甲基甲酰胺(4VP),通过加入交联剂，催化剂，与敏化剂，最终形成聚苯乙烯为本体，以二价溴离子为主体的聚苯乙烯-甲基甲酰胺季铵聚合物，通过合适的工艺涂覆在氧化铝陶瓷基板上，形成不易与水离子亲和的交联敏感膜，由此制成的电阻型湿敏传感元件具有感应速度快，稳定性好，寿命长的特点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (1)

1.一种高性能电阻型湿敏传感元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在充氮环境下将苯乙烯、4VP蒸馏提纯到纯度为99％。；
第二步：在充氮环境，100℃水浴下，以2.0±0.1g偶氮二异丁腈为催化剂，3000ml±50ml四氢呋喃为溶剂，加入200-300ml苯乙烯与1-2ml 4VP，在常压下，进行聚合反应，反应时间为7-10小时，生成聚苯乙烯-4VP聚合物；
第三步：将合成完毕后获得的溶液，通过加入蒸馏水，进行萃取，过滤后得到聚合物凝聚物，在真空状态下120℃烘干，4小时后，研磨成粉末；
第四步：称量适量的粉末，在粉末中加入5ml溴代正丁烷，30ml二甲基甲酰胺，配成溶液，并将制得的溶液在60℃-75℃下恒温水浴并磁力搅拌处理4小时；
第五步：取出溶液，将湿敏传感元件基片浸入溶液中9.0±0.1mm并保持3-5秒进行浸涂，浸涂完毕后，通过表面流平，及自然干燥形成膜；
第六步：将成膜后的湿敏传感元件基片置于真空120℃下烘干，使湿敏传感器表面形成致密的厚度为15um-20um的感湿薄膜；
第七步：将具有感湿薄膜的湿敏传感元件基片置于25.0±0.1℃，60±0.5％rh的环境下10min后进行检测分类，即得到电阻型湿敏传感元件。
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