一種無源高分子聚合物基溼度傳感器及其製備和檢測方法
2023-05-29 16:47:36 1
專利名稱：一種無源高分子聚合物基溼度傳感器及其製備和檢測方法
技術領域：
本發明屬新型溼度傳感器，可用於工業生產、生物、醫療、航空航天等領域。
背景技術：
溼度傳感器是一類重要的化學傳感器，已在工業生產、過程控制、環境監測、氣象、航空航天等領域有著廣泛的應用，如精密電子元件製造、航天飛彈、火箭的儲存。為了創造更好的對醫療環境，工業實驗環境，航空航天生產環境，對溼度的檢測、控制或調整必不可少。有機高分子溼敏材料以其材料來源豐富，相對溼度範圍寬，溼滯回差小，響應速度快等優異性能而得到了越來越多的發展，是最具發展前途的一類溼敏材料。早期的高分子溼敏材料多是纖維素類材料，目前常用的有醋酸纖維素類，苯乙烯類，聚胺醯胺類，聚甲基丙烯酸甲脂類以及這些材料的衍生物、與其他單體的共聚物等。這些材料均是含有極性基團，即親水基，可以與水分子相互作用形成氫鍵或以範德華力結合，達到吸溼目的。常見溼度傳感器如Humirel公司生產的HS1101，Honeywell公司生產的HIH-3602，均需要有源監測。
發明內容
本發明提出一種無源高分子聚合物基溼度傳感器及其製備和檢測方法，採用全氟磺酸樹脂(PFSI)作為溼敏材料，具有較好應用前景。本發明的技術方案為一種無源高分子聚合物基溼度傳感器，包括溼敏材料層、金屬電極層和引線端子，為層狀結構，中間為溼敏材料層，所述的溼敏材料層為Nafion溶液固化而成，在溼敏材料層的上下表面化學鍍Ag膜作為金屬電極層，在金屬電極層的表面米用真空鍍鈦膜，形成面積為2 3mm2的引線端子。製備所述的無源高分子聚合物基溼度傳感器的方法，以Nafion溶液固化製備溼敏材料層，溼敏材料層上下表面經過粗化、活化後，再採用化學鍍Ag，反應式為2Ag(NH3)^H + Cfi1^6 — 2Ag i + Cfi11O7NH4 + 3NH3 + Ηβ ;最後採用真空蒸發鍍膜法在金屬電極層表層鍍鈦膜製備引線端子。將溼度變化帶來的電壓輸出通過放大電路放大，進行測量，測量關係為M = OxjrxOil, 表示溼度，Εζ為溼敏傳感器輸出電壓，3為放大電路增益j為溼度-電
壓轉換係數。
有益效果
本發明的溼度傳感器，溼敏材料高分子聚合物全氟磺酸樹脂(PFSI )，在潮溼環境中，會吸附水自身產生H+和H3O+,在材料內部形成導電通道，具有密集、均勻的分子級分布形式，無需外接電源，可感溼輸出電壓信號，即能實現無源監測。同時輸出電壓隨溼敏材料的含水率變化規律呈近線性，能夠實現在特殊環境下高精度、高響應的溼度檢測。並且本發明的溼敏材料層並且其對化學試劑具有很強的抵抗性，可用於含有有機氣體、強酸性、強鹼性等惡劣環境中，工作溫度範圍寬(_50°C 190°C)，更適合於特殊環境的監測。可設計性強，且製備簡單，動態響應優異，能根據需求選擇不同型式，尺寸可自主設計，結 構易於小型化，精度高、響應時間短，穩定性高。可滿足各類狹小空間的高精度溼度檢測。
圖I為本發明的結構立體示意圖。
其中I為溼敏材料層，2為金屬電極層，3為引線端子。
圖2為本發明的結構俯視示意圖。
圖3為本發明的檢測方案示意圖。
其中4交流放大電路，5為示值儀器。
圖4為溼度一電壓擬合特性曲線(V)。
具體實施方式
(一) 傳感器製作如圖I所示，該溼度傳感器由溼敏材料層I、金屬電極2和引線端子3組成。
所述的溼敏材料層I為全氟磺酸樹脂(PFSI)，在整個結構中起到感受溼度變化的
作用；所述的金屬電極2為採用化學鍍方法製成，起到傳感器的兩極板的作用；所述的引線端子3為真空鍍膜技術製作的鈦端子，起到將極間電壓變化特徵傳遞至外部的作用。製備所述的溼度傳感器的方法、步驟為
第一步，製備高溼敏材料層I:
a.用Nafion溶液按照設計的厚度常規方法固化成型為溼敏材料層I。第二步，製備金屬電極2:
電極選用金屬Ag為電極材料。將表面粗化後的溼度敏感材料按下式化學鍍銀，
2Ag(NH3)flH + Cfi^6 — 2Ag / + Cfl11O7NH4 + 3NH3 + Ηβ(I)
第三步真空鍍引線端子3
按照傳感器尺寸進行剪裁。採用真空蒸發鍍膜法對電極中部進行鈦鍍膜，形成2 3mm2的引線端子3，檢查線路並裝片。至此溼度傳感器製作完成。(二) 檢測方案
本發明選用常用電壓放大電路進行微電壓的測量，從而進行溼度測量。如圖3所示，^為製備的溼度傳感器輸出電壓，連接常用微電壓交流放大電路4將輸出電壓放大，並與示值儀器5相連。示值儀器可以選用示波器、記錄儀、數據採集設備等。最終可將採集的電壓量換算成溼度值。測量關係為及= OxiTxU0
表示溼度，Ue為傳感器輸出電壓， 為放大電路增益，I為溼度-電壓轉換係數。
實施例I
製備尺寸為5mm X 5mm X 5mm的傳感器
如圖I所示，該溼度傳感器由溼敏材料層I、金屬電極2和引線端子3組成。 所述的溼敏材料層I為全氟磺酸樹脂(PFSI)，在整個結構中起到感受溼度變化的作用；所述的金屬電極2為採用化學鍍方法製成，起到傳感器的兩極板的作用；所述的引線端子3為真空鍍膜技術製作的鈦端子，起到將電壓變化特徵傳遞至外部的作用。製備所述的溼度傳感器的方法、步驟為
第一步，製備高溼敏材料層I :
用Nafion溶液按照設計的厚度常規方法固化成型為溼敏材料層I。原料Nafion溶液，仲丁醇，二甲亞碸(DMSO)
a.根據所需溼敏材料層I的尺寸計算出Nafion溶液的用量300mL。將盛有一定量溶液的玻璃模具放入真空乾燥箱中，所述的溶液為Nafion DES 520cs，濃度為5%wt，溶質為Nafion，溶劑為仲丁醇與水1:1的混合物，控制真空乾燥箱的溫度為50 60°C，將溶液烘至濃度為20 50%。b. 在溶液中滴加適量的DMSO(體積比為DMSO :Naf ion ^ 1:20 50)配成鑄膜液，攪拌10 20 min使溶液混合均勻，將鑄膜液放入超聲波清洗機中震蕩約20 30 min,去除溶液中的氣泡。再將鑄膜液置於50 60°C烘箱中，直至表面乾燥。c. 將烘箱溫度升至100°C並保持大於lh，再將溫度升高至120 140°C保持大於3h，關閉烘箱，自然冷卻至室溫。至此溼敏材料層I製備完成。第二步，製備金屬電極2:
a.預處理
選取可溶性砂粒對溼敏材料層I打磨粗化，使表面呈磨砂狀；再依次經過超聲波清洗、稀鹽酸、雙氧水進行活化。之後採用常規的化學鍍方法鍍上Ag形成電極；
b.電極成型
電極選用金屬Ag為電極材料。將預處理後的溼度敏感材料I放入O. 03、. 06mol/L銀氨絡合物溶液中，靜置約14 24h。2Ag(NH3)flH + Cfl1^6 — 2Ag + Cfi11O7NH4 + 3ΝΗ3 +H2O(I)
將預處理後的離子交換膜放置於超純水中，控制反應溫度為20°C，每隔IOmin向反應
溶液中滴加HmL還原劑葡萄糖滴加(5g/L)，反應時間持續T5h。還原機理為(I)
至此，電極製備完成。第三步真空鍍引線端子3
按照傳感器尺寸進行剪裁。採用真空蒸發鍍膜法對電極中部進行鈦鍍膜，形成2 3mm2的引線端子3，檢查線路並裝片。至此溼度傳感器製作完成。在標準檢定條件下，對溼度傳感器進行測試，規格值以60%RH溼度變化為基準，25°C下實驗擬合曲線如圖4所示。
權利要求
1.一種無源高分子聚合物基溼度傳感器，包括溼敏材料層(I)、金屬電極層(2)和引線端子(3)，其特徵在於，為層狀結構，中間為溼敏材料層(1)，所述的溼敏材料層(I)為Naf ion溶液固化而成，在溼敏材料層(I)的上下表面化學鍍Ag膜作為金屬電極層(2)，在金屬電極層(2)的表面採用真空鍍鈦膜，形成面積為2 3mm2的引線端子(3)。
2.製備權利要求I所述的無源高分子聚合物基溼度傳感器的方法，以Nafion溶液固化製備溼敏材料層，其特徵在於，溼敏材料層上下表面經過粗化、活化後，再採用化學鍍Ag，反應式為 '2Ag(NH3)βΗ + CflJ)6 — 2Ag + Cfi11OiNH4 + 3NH3 + Hfl ;最後採用真空蒸發鍍膜法在金屬電極層(2 )表層鍍鈦膜製備引線端子(3 )。
3.權利要求I所述的無源高分子聚合物基溼度傳感器的檢測方法，其特徵在於，將溼度變化帶來的電壓輸出通過放大電路放大，進行測量，測量關係為H:axKxU。，jy表示溼度，U0為溼敏傳感器輸出電壓，為放大電路增益，I為溼度_電壓轉換係數。
全文摘要
本發明公開了一種無源高分子聚合物基溼度傳感器及其製備和檢測方法。包括溼敏材料層、金屬電極層和引線端子，中間為溼敏材料層，由Nafion溶液固化而成，在溼敏材料層的上下表面化學鍍Ag膜作為金屬電極層，在金屬電極層的表面採用真空鍍鈦膜，形成面積為2~3mm2的引線端子。製備以Nafion溶液固化製備溼敏材料層，溼敏材料層上下表面採用化學鍍Ag；最後採用真空蒸發鍍膜法在金屬電極層表層鍍鈦膜製備引線端子。可以實現無源傳導，環境適應性強，易於小型化。
文檔編號G01N27/60GK102937621SQ20121043411
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月5日 優先權日2012年11月5日
發明者熊克, 卞侃, 李偉, 顧莉莉, 陳騏 申請人:南京航空航天大學