TWI230253B - Polymeric humidity sensing component and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

1230253

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -種濕度感测元件。尤指_她抗式高分子感测元件。 祕工主要是用來偵测環境中的水氣含量，可廣泛 Ϊ人成溫濕度計，用以量测環境之溫濕度。隨 生求，日益增高，使得這些日常生活用品的 ，也，^疋鬲，因此，濕度感測器，也就成爲不可或缺 的重要7G件，帀場價値相當看好。 Λ、ιΐ見度感测ΐ有兩種：電容式澄度感测器以及阻抗式澄度 i’JH/、中，阻ί式的麼度感測器，因爲製造過程比較簡單，製 此I單以成本考量澄度感測器的應用，阻抗式的澄度 感测器，佔有相當大的優勢。 气式濕度感测器的作用原理，係利用濕度的改變時，造成 ffii测7°件阻抗値（如電阻）的改變，進而將此阻抗値轉換爲 相對濕度，测出溼度，達到溼度感测之目的。 wAA，在阻抗式溼度感測器之中，濕度感测元件，無疑是溼度感测 斋ί核心構成要件之一。溼度感测元件，通常是以一層薄膜，覆蓋 ^上（或聯結電極）而構成，利用那一層薄膜接收水氣，改變 ^膜之阻抗’也就是説’改變了電極之間的阻抗，進而可以量测出 溼度的變化。 但是，對於一般溼度感测元件而言，當此一薄膜厚度設計或控 ，不^，就會影響濕度感測元件的功能與濕感應特性。例如，當薄 月^太厚時，反應時間（Response time，由感测到溼度，到反應爲阻 抗的時間）會變長，而且有遲滯現象(Hysteresis，水氣吸附或脱溼 多率不同，導致相同溼度，卻有不同溼度讀數者）等；而當薄膜太 溥時，會造成阻抗太高（也就是導體截面積小時、電阻較大之原 理）’無法適用。爲了避免這些缺點產生，感測膜厚，必須被嚴格 地控制在一定的厚度之内，方能作用。 本發明之主要目的，即在於提供一種阻抗式溼度感測元件，具 有多孔性的結構，經由該多孔性的結構，使得感测元件與水氣接觸 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） 83. 3.10,000 -------------I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 I? 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 1230253 A7 ________ B7 五、發明説明（2) 1表面積大，而且水氣易於通過，使得感测的靈敏度增加、反應時 間縮短，並能提高導電度。 ^本發明之另一目的，在於提供一種阻抗式溼度感測元件，可依 ，要調整厚度，製成测量不同濕度範園的感濕元件，應用範園廣 之0 本發明之又一目的，在於提供前述阻抗式溼度感测元件之製 'ί ° ΐ二製法’可以增加澄度感测材料之耐水性、及澄度的量測範 圍讓淫度感测元件更具應用價値。而且，溼度感测元件，經熱處 所造成的多孔性結構，讓材料具備不水溶性，使得溼度感测元 件更耐用。 ，了達到上述發明目的，本發明所提供之阻抗式溼度感測元 ^ ’包括一$板，在該基板上，設有至少二個電極。另外，在該二 廷，f間有經聚合、燒結反應所形成之多孔性聚合2_丙驢胺基 2-了基丙磺酸，聯結該二電極，使得該經熱處理（燒結）反應所形成 f夕孔性2-丙驢胺基2_甲基丙磺酸，可以接收水氣，改變二電極間 的抗阻，進而達到感測溼度的目的。 十=所提供之阻抗式溼度感测元件之製法，係於基版上製作金屬 ιϊί 3厚膜印刷的方式，將該2-丙酿胺基2_甲基丙磺酸，印刷 衮亡7烘乾後’並厚度控制於5_30_間，烘乾後，以約170_240 溫^為處理，製成具有多孔性的阻抗式溼度感测元件，使得經 士處理反應所形成之多孔性2_丙醯胺基2_甲基丙磺酸具備不水溶 性0 圖式之簡單説明 第一圖本發明一實施例之溼度感测元件構成示意圖 第二圖爲本發明前述實施例製程説明示意圖 第二圖爲本發明前述實施例之溼度感测元件對溼度之反應時間表 第四圖爲本發明前述實施例之遲滞現象數據表 本紙張从顧巾關家標^Τ^ΓΓΓ·^72η)Χ297公董） 83. 3.10,000 ------------^9— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} ，訂 -線· 1230253 A7 B7 五、發明説明（3) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 Π/ 配合圖式的詳細説明 谨成請金2一ϊ，ΐ爲本發明所提供一較佳實施例之濕度感測元件 狀雷。成，包含絶緣的基板1，在該基板1的一面印刷梳 又S34 板與電極的上方，設置（覆蓋）澄度感測材料2， 合铁别接上阻抗测量的訊號線5、6 (電極接腳）。 =Ϊ料2的設置，只要可聯結電極3、4，使該電極3、4 成為導电通路即可，不限於圖上所示之形狀與形式。 ΑΑϋΡΐί 莖度感测材料2接收水氣，改變阻抗，亦即，電極3、4之間 的阻抗改變，而可進一步由阻抗値，量測出溼度的變化。 妒/^發明所使用的溼度感测材料2，是以2_丙醯胺基2-甲基丙旙 "f 、 cry^mdo-Lmethyipropanesulfonic acid 以下问猛 力主要J材料，加入所需的添加物（以增強效果，也可l不 ^ 量^气始舰錢錢合反應（#未加碌加物的 ^AMPS，凰、、人1 成南分子聚丙酿胺基甲基丙續酸（以下簡稱 ApI^4屬才料一）。其中，力口入的起始劑，目的在於使ϋ 料的f 這f選用比較常用的义⑽°而對於熟用施路材 μ如者^，使用起始劑，屬於習知技藝，也可選擇使用並仑 的起始劑，達到相同之目的。 农J %伴1文所具匕 而滢度感測元件的製作流程，請參第二圖所示。首先在其此 a 極3、4，此電極3、4可用導電性良好的材料土，尤 金屬，例如，金、銀、免、白金或二氧化2爲i _ π 可设爲梳狀，以增加與溼度感测材料的接觸面 積，提咼感测可靠性以及靈敏度。 T』椏觸曲 Q 以厚膜印刷的方式，將溼度感测材料2，印刷於印好雷叔 執杆，今並進行烘餘序。其巾，細_以及烘乾程序^ 述對於習於該微藝之人士而言，屬於習知技藝， 度感測材料2的厚度控制於5-3Gu_ (藉由幾次實 很容易得知，烘乾前後丨績感测材料厚度的變化 厚度），並賴度感测元件進行熱處理(特别是ί 對&度感测材料作燒結）。我們將再將此基板i於熱板 本紙張歧適财關家標準 胁（21QX297公餐y 83. 3.10,000 .社^· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 線 A7 1230253 _B7 五、發明説明（4 ) 加熱，使用的溫度約170-2401C間。而熱處理時間，會因爲澄度感测 材料與添加物之成分、厚度或熱處理溫度不同，而作調整。當g處 理溫度太低（小於17〇1〇)時，則PAMPS不易形成多孔性結構。^熱 處理溫度太高時，則PAMPS高分子會進一步分解，分子會被燒焦，ϋ 抗値也偏高。 ’ 經170-2401C熱處理的PAMPS高分子，會在高溫時會起分解反 應’產生氣體，使材料表面呈白色、淡黄色或棕色，於顯微鏡下觀 祭則主現多孔性之結構’並與電極3、4及基板1，構成高分子澄度感 測元件。 而PAMPS是一種高分子電解質，若通入交流電可成爲質子導體。 若要增加感溼效果，可在AMPS水溶液中，分别加入週期表Ia*IIa元 素的氫氧化物，^如：氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀，或者是氫 氧化四甲基銨等添加物，並可得到四種型態的高分子，分别爲 PAMPS· Li，PAMPS· Na，PAMPS· K及PAMPS· N(CH3)4。 、 但是爲了兼顧熱處理後能得到多孔性的結構，加入的四種離子 ^量，必須少於AMPS的量，约〇·5倍以下，若加入其他離子的比例太 咼時，則在230C的熱處理中，不會形成多孔性的結構，若溫度加至 250°C以上時高分子開始分解，但仍無多孔性結構出現。一般而言， 氫離子比例愈低，則其可形成多孔性結構的熱處理溫度愈高。^ 而本發明也可加入其它多種導電的離子作改變，例如加入氨、 苯甲胺、三甲胺或三乙胺等分子，包含丨級胺至3級胺，所有含自由 電子對的胺f子，均可使導電離子轉換成銨離子，例加入腿3形成 丽4+ ’加入三乙胺則形成_況5)3+。當胺分子與amps之莫耳比兪 高時，熱處理的溫度愈高，才可使材料呈多孔性結構，當比例;^ 同，但胺分子不同時熱處理，溫度也會有差異。 以下用更明確的實施例作説明： 實施例一 以2克AMPS，溶於5克水，中加入少量之起始劑…册，充分混合 後，開始加熱，使之發生聚合反應，合成PAMps。電極以銀、金或 銀鈀爲材料之狀電極，將PAMPS溶液印刷於電極上方，烊乾德， 再以19(TC的溫度處理之，熱處理時間2分鐘。、植万“後 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I------------I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 83. 3.10,000 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 1230253 Α7 __ Β7 五、發明説明（5) 、_經過熱處理後材料，呈多孔狀，最後焊接電極接腳，便完成了 —度感测元件的製作。此元件的特性表現，有如第三圖及第四圖所 一請參第三圖，其爲溼度感测元件之反應時間表，由圖中可知， 當澄度變化時，本發明可反應溼度變化的時間相當短。 請參第四圖，其爲溼度感测元件之遲滯現象説明圖表。由該圖 可知，本發明在澄度變化時，在吸附水氣（澄度增加）及脱水(溼度減 少）時，兩種情況的反應曲線，幾乎趨於一致，遲滯現象不明顯。 實施例二 以2克AMPS溶於5克水中，加入〇·〇4克氫氧化鋰•水（UOH· 压0)再加入少量之起始劑AIBN，充分混合後開始加熱，使之發生聚 合反應，PAMPS· Li被合成。電極製作以銀、金或銀鈀爲材料網印 产梳狀電極’將PAMPS· Li溶液塗佈（Coating)於電極上方，烘乾 後再以230°C的溫度處理之，經此熱處理後材料呈多孔狀結構。 此材料之AMPS與LiOH的莫耳比爲10比1，熱處理後導電的因子， 應包含氫及鋰兩種離子。若鋰離子的比例高於5〇%時，熱處理的溫度 即使超過250°C，仍不會形成多孔性結構。 實施例三 以2克AMPS溶於5克水中，加入〇.2克25%氨水，再加人少量之起 始劑AIBN ’充分混合後，加熱使之發生聚合反應，ρϋ腿3被合 成。以銀、金或銀鈀爲材料網印製作之梳狀電極後，將PAMPS·册3 溶液印刷於電極上方，烘乾後再以2〇〇°c的溫度處理之，經此熱處理 後材料呈多孔狀。 此材料之AMPS與NB的莫耳比爲1〇比3，導電的離子包含兩種離子 爲銨離子及氫離子。相類似的方法，也可用其他胺分子取代氨，如 二甲胺、二乙胺或琴甲胺等等多種胺基化合物，胺基化合物可爲具 有一對自由電子對之一級胺、二級胺及三級胺均可，也可改變ϋ 化合物的量，並重複上面的步驟，也可製成濕度感测元件。土 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210Χ297公釐） 83. 3. !〇,〇〇〇 ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本買) 訂 線 五、發明説明（6) 1230253 at B7 實施例四 以2克AMPS溶於5克水中加入〇·66克25%氨水再加人少量之起始 劑，充分混合後開始加熱使之發生聚合反應，PAMPS·赃被合成， 此材料之AMPS與腦的莫耳比爲1比卜電極爲銀、金或銀鈀爲材料製 作之梳狀電，’將PAMPS·腿3溶液塗佈（Coating)於電極上方，烘 乾後再以230°C的溫度處理之，經此熱處理後材料仍呈多孔狀。 與，施例三相較，實施例三的熱處理溫度爲2〇〇七，低於實施例 四的230°C，所以，當氨的比例愈高時，熱處理的所需溫度也就愈 高。 而由實驗可知，聚AMPS爲濕度感测材料，若未經熱處理的步 驟，在濕度高於70%RH時，材料會因吸太多水，形成水溶液狀態， 極易流失，且脱濕的速率相當緩慢。 聚AMPS製成元件，經過熱處理後，會造成材料的多孔性，有利 水氣的進出，性能的表現也更優秀，可测濕度範園達95%册，所以 熱處理步驟可增加量测的範園（2〇-95%RH)，而且幾乎沒有遲滯現 象，在反應時間方面也有相當的改善：一般在1-2分鐘以内，基本上 仍絶對優於熱處理前。 經熱處理後之元件可测到95%RH濕度，同時。推測因多孔性的結 構有利於水氣的通透，縮短反應時間至1-2分鐘内，且靈敏度也相當 優異。濕度測量範圍約爲20-95%RH之下，元件阻抗値的變化從l〇M降 至IKohm以下。 而經由聚合、燒結反應所形成之多孔性聚合2-丙醯胺基2-甲基 丙磺酸（聚APMS)，由於多孔性結構易於水氣的通過，且與水氣接觸 表面積較熱處理前大，故使得靈敏度增加、反應時間變短及導電度 增加等優點。且經熱處理後造成的多孔性結構，使得材料變成不水 溶，是未預期的優點。 也就是説，AMPS爲材料之濕度感测材料經熱處理以後呈多孔性 結構，元件性能相當優異。未經熱處理的元件其缺點包括·· 1)濕度 高於70%RH時材料便成水溶液狀態極易流失；2)脱濕的反應時間相 當長；3)爲非多孔性所以厚度太厚時，遲滯現象變得非常明顯。經 本紙張从適用中關家標準（CNS) A4規格（21QX297公瘦） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 83. 3. !〇,〇〇〇

五、 發明説明（7) 1230253 點:υ可测量的濕度範園爲2〇補 3)爲―| 或脱濕均在内達平衡； 此浸個猶，在速率上 是以’本發明可使擴大澄度感測範圍、増加感測靈敏度、縮短反 ΪΪΓ提高導電度，並避免材料流失，應用翻更爲廣泛，確實 優異錄，符合專繼讀雛、齡性與實職要件無疑， W听鈞局一本鼓勵研發創新之熱誠，早日賜准專利，是爲所盼。 ____________1 II _丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張从適用( CNS ) Α4· ( 21GX297公菱—「 83. 3.10,000

Claims (1)

1. 230253 A7 B7 C7 D7 經濟部中央標準局印製 六、申請專利範園 電極係由高導電性金屬所構成。 * 9.如申請專利範圍第8項之阻抗式濕度感測元件，其中該 高導電性金屬，係選自金、銀、鈀、白金及二氧化舒所 構成之群組。 10·如申請專利範圍第1項之阻抗式濕度感測元件，其中該 2-丙醯胺基2-曱基丙磺酸薄膜（AMPS)的多孔性，係由熱 處理所形成。 11·如申請專利範圍第10項之阻抗式濕度感測元件，其中 該2-丙酿胺基2-甲基丙石黃酸（AMPS)經熱處理後，係呈 現白色、淡黃色或棕色。 12·如申請專利範圍第2項之阻抗式濕度感測元件，其中的 添加物為氫氧化鋰，而APMS奐氳氧化鋰莫耳比為10: 1。 13·如申請專利範圍第ι2項之阻抗式濕度感測元件，其中 的該濕度感測材料的熱處理溫度為230°C。 14·如申請專利範圍第ι3項之阻抗式濕度感測元件，其中 最終的濕度感測材料為PAMPS · Li。 15·如申請專利範圍第2項之阻抗式濕度感測元件，其中的 添加物為氨水’而2~丙酿胺基2 -甲基丙續酸與NH3的莫 耳比為10 : 3。 、 16·如申請專利範圍第15項之阻抗式濕度感測元件，其中 的該濕度感測材料的熱處理溫度為2〇〇°c。 17·如申請專利範圍第16項之阻抗式濕度感測元件，其中 最終的濕度感測材料為PAMPS · nh3。 18.如申請專利彘圍第2項之阻抗式濕度感測元件，其中的 添加物為氨水，而丙醯胺基2-甲基丙磺酸與NH3的莫 耳比為1 ·· 1 ' 甲4(210X^^57 f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •装· •訂· •線* 1230253

   經濟部中央標準局印製 六、申請專利範園 19·如申請專利範圍第18項之阻抗式濕度感昶元件，其中的該濕度感測材料的熱處理溫度為23〇。〇。 2〇·=申請專利範圍第19項之阻抗式濕度感測元件，其中 最後得到的濕度感測材料為PMps ·丽3。 21·如申請專利範圍第1項之阻抗式濕度感測元件，其中該 阻抗式濕度感測元件的有效量測範圍，為2〇〜9〇%冊。 22·如申請專利範圍第1項之阻抗式濕度感測元件，其中該 基板，係為氧化鋁所構成。 23.如申請專利範圍第1項之阻抗式濕度感測元件，其中該 -個電極’係選自金、銀、鈀、白金及二氧化釕所構成 之群組。 m収件之製法，係於基板上製作二金屬電極 ^ ’以厚膜印刷的方式，將聚2—丙酸胺基2—甲基丙石备 =PAMPS)溶液，印刷薄膜於該二金屬電極上，作為濕 '二感測材料；烘乾後，控制該濕度感測材料之厚度控制 右夕5-30_間，並以17〇—24(rc溫度作熱處理，製成具 夕孔性濕度感測材料的濕度感測元件。 /、 專利_第24項之濕度制元件之製法 该電極係為梳狀電極。 /、f 26.:==!24項之濕度感測元件之製法，其中 兒極係由问導电性金屬所構成。 27· 第26項之濕度感測元件之製法，” 所構成之群組 廷自金、銀、把、白金及二氧化舒 28.=申凊專利範圍第24項之濕度感測元 濕度感測材料為PAMPS.U。 其中 f 4(210X 297^Jj ---—_______ 分先閲續背面之：/i意事項再填寫本頁 •装· •訂. .線· 1230253 A7 B7 C7 D7

   、申請專利範園 29·如申請專利範圍第28項之濕度感測元件乏製法，其中 的該濕度感測材料的熱處理溫度為200°C。 30·如申請專利範圍第24項之濕度感測元件之製法，其中 最終的濕度感測材料為PAMPS · NH3。 31. 如申請專利範圍第3〇項之濕度感測元件之製法，其中 的該濕度感測材料的熱處理溫度為230°C。 32. 如申請專利範圍第24項之濕度感測元件之製法，其中 最後得到的濕度感測材料為PAMPS · NH3。 33·如申請專利範圍第32項之濕度感測元件，其中該阻抗 式濕度感測元件之有效量測範圍，為20〜90%RH。 34·如申請專利範圍第24項之濕度感測元件之製法，其中 該基板’係為氧化銘所構成。 35· —種濕度感測材料，係將2—丙醯胺基2_甲基丙磧酸 (AMPS)，與添加物及起始劑混合，使該2—丙醯胺基2一 甲基丙〜與添加物聚合，形成聚2-丙酿胺基2 一甲義 丙磺酸，再以170-240°C溫度對該聚2-丙醯胺基2-甲基 丙磺酸作燒結，製成具有多孔性之聚2-丙醯胺基2一甲 基丙磺酸（PAMPS)。 36·如申請專利範圍第35項之濕度感測材料，其中該起始 劑，係為AIBN。 ° 37.如申請專利範圍第35項之濕度感測材料，其中該添加 物，係選自元素週期表上Ia及IIa的氫氧化物所構成 的群組。 38·如申請專利範圍第35項之濕度感測材料，其中該添加 物，係選自氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈉^ ^化 甲基銨所構成的群組。 甲4(210X297 公廣） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· •線· 濟 部 中 央 標 準 印 製 經濟部中央標準局印製 1230253 at B7 C7 _D7_ 六、申請專利範圍 39. 如申請專利範圍第38項濕度感測材料，其中所得到的 濕度感測材料係為 PAMPS · Li，PAMPS · Na，PAMPS · K 或是PAMPS · N(CH3)4等高分子材料。 40. 如申請專利範圍第35項之濕度感測材料，其中的添加 物質，可為胺分子；而該胺分子為一極、二級或三級， 且氮原子上有自由電子對之分子，如氨、苯甲胺、二乙 胺或三甲胺等。 41. 如申請專利範圍第37項之濕度感測材料，其中的添加 物為氫氧化鋰，而APMS與氫氧化鋰莫耳比為10 : 1。 42. 如中請卑利範因第41項之濕度感測材料，其中的該濕 度感測材料的燒結溫度為230°C。 43. 如申請專利範圍第42項之濕度感測材料，其中最終的 濕度感測材料為PAMPS · Li。 44. 如申請專利範圍第35項之濕度感測材料，其中該濕度 感測材料有效的量測範圍，為20〜90%RH。 甲4(210X297 公沒） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)