CN1655375A - 含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件具有微晶玻璃片基体，在微晶玻璃片基体表面上蒸发、光刻有多对叉指金电极，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上涂覆有感湿膜，感湿膜为含硅阳离子聚电解质共聚物。方法的步骤如下：1)用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍在感湿液中，提拉、取出后，热处理制得感湿膜；2)将具有感湿膜的微晶玻璃叉指金电极在一定湿度和温度下，通电老化，制得含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件。本发明是一种宽湿度量程，高灵敏度，特别有极快响应速度的电阻型湿敏元件，而且制作方法简单，成本低，可广泛应用于过程及环境湿度的精度测量与控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。
背景技术
社会的进步和技术的发展为我们开辟了一个广阔的传感器空间，湿度传感器是一类重要的化学传感器，在仓储、工业生产、过程控制、环境监测、家用电器、气象等方面有着广泛的应用，并在现代科技发展和人们生活中起着日益重要的作用。高分子湿度传感器是目前应用较广的一类新型湿度传感器，主要有电容型和电阻型两大类。其中高分子电阻型湿度传感器，更以其良好的响应特性，测湿范围宽，制造简单，易于集成化，小型化批量生产，价格低廉等特点，成为研究发展的趋势。其应用的主要湿敏材料就是高分子聚电解质。高分子聚电解质具有价格低廉，制造简单，灵敏度高，吸湿响应快等优点，发展非常迅速。但它也存在着脱湿响应速度欠快，难以测定低湿环境，不耐高湿，高湿环境下响应灵敏度低，长期稳定性和可靠性不够理想等问题，阻碍和制约了其实际应用和进一步发展。这主要因为聚电解质容易吸附水分子，但不容易解脱水分子，同时感湿膜与电极基底材料粘结性不好，在高湿环境中容易膨胀和脱落之故。
发明内容
本发明的目的是提供一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。
含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件具有微晶玻璃片基体，在微晶玻璃片基体表面上蒸发、光刻有多对叉指金电极，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上涂覆有感湿膜，感湿膜为含硅阳离子聚电解质共聚物。
含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件的制作方法的步骤如下：
1)用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍在感湿液中1～4分钟，按2～8mm/秒的速度提拉、取出后，在80～120℃热处理5～15小时制得感湿膜；
2)将具有感湿膜的微晶玻璃叉指金电极在30～40℃，湿度为60～90％RH环境下，加以100～800mv，1kHz的交流电压，通电老化20～50小时，制得含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件。
本发明的优点是：
1.采用特定设计微晶玻璃叉指金电极：叉指为8～16对，叉指宽度为20～80um，叉指间隙为40～80um，每个叉指长度为2～3mm，电极尺寸为6mm×5mm×0.5mm，具有体积小，低成本，使用方便等优点。这种电极结构由于叉指细而密，使湿敏元件阻抗降低，灵敏度提高，从而可以测定低湿环境下的湿度，使检测范围加宽；
2.在制备感湿膜时，通过控制含硅共聚物的组成，即可聚合阳离子单体—甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溴丁烷季胺盐与功能型硅氧烷单体—甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，两者恰当的摩尔比以及控制配制感湿液的浓度，使湿敏元件具有特别快的吸湿和脱湿响应速度；
3.含硅共聚物中功能型硅氧烷单体的引入，利用硅氧烷中的烷氧基(Si-OR)在感湿液-水溶液中水解，转化成硅醇基(Si-OH)，后者能进一步与微晶玻璃片基体上的羟基(-OH)形成氢键结合，从而可增强湿敏膜与微晶玻璃片基体的粘结性，提高湿敏元件耐高湿环境的能力；
4.含硅共聚物中的功能型硅氧烷单体的引入，通过调节其在共聚物组成中的比例，利用硅氧烷的疏水特性，可调节湿敏元件的脱湿的速度，克服了一般高分子电阻型湿敏元件吸湿快，脱湿慢的弊病；
5.在30～40℃和60～90％RH湿度环境下，对元件通以一定的交流电压，进行老化处理，可使元件在较短时间内达到稳定状态，具有高的稳定性和耐高湿环境能力；
6.采用本发明设计的湿敏材料和方法制备的湿敏元件，是以可聚合阳离子单体与功能型硅氧烷单体的共聚物作为感湿材料并与具有特定设计的微晶玻璃叉指金电极相结合，构成兼具二者优点的先进高分子电阻型湿敏元件，具有优异的感湿特性。其测湿范围宽(5～100％RH)，灵敏度高，不仅耐高湿环境能力强，而且在低湿范围仍有良好的感湿特性，特别具有极快的响应速度和小的湿滞，而且简便易行，元件一致性好，成本低，适于批量生产。
附图说明
图1是本发明所述的湿敏元件的结构示意图；
图2是本发明所述的湿敏元件典型的响应特性图；
图3是本发明所述的湿敏元件典型的湿滞特性图；
图4是本发明所述的湿敏元件典型响应时间特性图。
具体实施方式
本发明原理是采用可聚合阳离子单体与功能型硅氧烷单体的共聚物作为感湿材料并与具有特定设计的微晶玻璃叉指金电极相结合，构成兼具二者优点的高分子电阻型湿敏元件。由共聚物中的季胺盐提供可迁移的离子，由共聚物中的硅氧烷利用其疏水特性调节湿敏元件的脱湿速度，同时利用其在感湿液中硅氧烷基团转化成硅醇基，能与微晶玻璃片基体上的羟基形成氢键结合，从而增强湿敏膜与微晶玻璃片基体的粘结性，再配以微晶玻璃片基体上细而密的金叉指，使湿敏元件阻抗降低，灵敏度提高。因而制得感湿特性优异的高分子电阻型湿敏元件，而且制作简便易行，成本低。
含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件具有微晶玻璃片基体1，在微晶玻璃片基体表面上蒸发、光刻有多对叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线4，在微晶玻璃片和叉指金电极表面上涂覆有感湿膜3，感湿膜为含硅阳离子聚电解质共聚物。
微晶玻璃片基体表面上蒸发、光刻有8～16对叉指金电极，叉指金电极的叉指宽度为20～80um，叉指间隙为40～80um，每个叉指长度为2～3mm，电极尺寸为6mm×5mm×0.5mm。感湿膜为含硅阳离子聚电解质共聚物，其由可聚合阳离子单体—甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溴丁烷季胺盐与功能型硅氧烷单体—甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，按1～6∶1摩尔比共聚而成。感湿液由1～6份重含硅共聚物与100份重的去离子水组成。
实施例1：
1.电极清洗
将微晶玻璃叉指金电极经无水乙醇和丙酮浸泡清洗，烘干备用
2.浸涂制备感湿膜及后处理
采用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸入感湿液(20份重含硅共聚物—季胺盐与硅氧烷的配料摩尔比为4∶1，100份重去离子水)中，4分钟后，以8mm/秒速度提拉，取出置入恒温烘箱中，在80℃热处理15小时，制得感湿膜；
3.老化处理
将微晶玻璃叉指金电极上具有感湿膜的湿敏元件，置于恒温恒湿箱中，在40℃，60％RH环境下，加800mv，1kHz的交流电压，通电老化20小时。
实施例2：
1.电极清洗同实施例1
2.浸涂制备感湿膜及后处理
采用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸入感湿液(40份重含硅共聚物—季胺盐与硅氧烷的配料摩尔比为2∶1，100份重去离子水)中，以2分钟后，以6mm/秒速度提拉，取出置入恒温烘箱中，在110℃热处理8小时，制得感湿膜；
3.老化处理
将微晶玻璃叉指金电极上具有感湿膜的湿敏元件，在30℃，90％RH环境下，加300mv，1kHz的交流电压，通电老化30小时。
其湿敏响应特性如图2，湿滞特性如图3，响应时间特性如图4。
实施例3：
1.电极清洗同实施例1
2.浸涂制备感湿膜及后处理
采用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸入感湿液(60份重含硅共聚物—季胺盐与硅氧烷的配料摩尔比为6∶1，100份重去离子水)中，1分钟后，以2mm/秒速度提拉，取出置入恒温烘箱中，在120℃热处理5小时，制得感湿膜；
3.老化处理
将微晶玻璃叉指金电极上具有感湿膜的湿敏元件，在30℃，80％RH环境下，加100mv，1kHz的交流电压，通电老化50小时。
实施例4：
1.电极清洗同实施例1
2.浸涂制备感湿膜及后处理
采用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸入感湿液(40份重含硅共聚物—季胺盐与硅氧烷的配料摩尔比为1∶1，100份重去离子水)中，以3分钟后，以4mm/秒速度提拉，取出置入恒温烘箱中，在90℃热处理12小时，制得感湿膜；
3.老化处理
将微晶玻璃叉指金电极上具有感湿膜的湿敏元件，在35℃，80％RH环境下，加600mv，1kHz的交流电压，通电老化25小时。
Claims (6)
1.一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件，其特征在于：它具有微晶玻璃片基体(1)，在微晶玻璃片基体表面上蒸发、光刻有多对叉指金电极(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上涂覆有感湿膜(3)，感湿膜(3)为含硅阳离子聚电解质共聚物。
2.根据权利要求1所述的一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件，其特征在于：所述的微晶玻璃片基体表面上蒸发、光刻有8～16对叉指金电极，叉指金电极的叉指宽度为20～80um，叉指间隙为40～80um，每个叉指长度为2～3mm，电极尺寸为6mm×5mm×0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件，其特征在于：所述的感湿膜为含硅阳离子聚电解质共聚物，其由可聚合阳离子单体—甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溴丁烷季胺盐与功能型硅氧烷单体—甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，按1～6∶1摩尔比共聚而成。
4.一种如权利要求1所述的含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于：方法的步骤如下：
1)用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍在感湿液中1～4分钟，按2～8mm/秒的速度提拉、取出后，在80～120℃热处理5～15小时制得感湿膜；
2)将具有感湿膜的微晶玻璃叉指金电极在30～40℃，湿度为60～90％RH环境下，加以100～800mv，1kHz的交流电压，通电老化20～50小时，制得含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件。
5.根据权利要求4中所述的一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于：所述的微晶玻璃叉指金电极是在微晶玻璃片基体上蒸发、光刻有8～16对叉指金电极，叉指金电极的叉指宽度为20～80um，叉指间隙为40～80um，每个叉指长度为2～3mm，电极尺寸为6mm×5mm×0.5mm。
6.根据权利要求4中所述的一种含硅共聚物电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于：所述的感湿液由1～6份重含硅共聚物与100份重的去离子水组成。
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
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