聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件及其製作方法
2023-04-22 22:37:31 1
專利名稱：聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件及其製作方法。
背景技術：
精確測量溼度在工農業生產和環境監測中具有重要作用，這為溼度傳感器的發展提供了廣闊的空間。高分子材料溼度傳感器近年來發展十分迅速，相比傳統的陶瓷材料溼度傳感器，它具有響應特性好，測量範圍寬，穩定性好，可室溫檢測，易於集成化，小型化批量生產，價格低廉等特點。其中高分子電阻型溼度傳感器，它能與目前集成電路技術很好相容，易於集成系統中實現溼度測量和控制，現在已經成為溼度傳感器發展的重要方向之一。然而，傳統聚合物溼敏材料製備的高分子電阻型溼度傳感器，依靠純離子導電，低溼時離子遷移率低，電阻值過大而難以測定，嚴重阻礙了其發展。
發明內容
本發明的目的是提供一種在中低溼(0～60％RH)環境下具有阻抗值適中，靈敏度高，線性度好，響應快，回復性佳，穩定性強，可室溫檢測的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件及其製作方法。
本發明的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件具有微晶玻璃基體，在微晶玻璃基體表面光刻和蒸發有多對叉指金電極，在叉指金電極上連接有引線，在微晶玻璃片基體和叉指金電極表面塗覆有溼敏薄膜，溼敏薄膜為交聯季胺化的聚4-乙烯基吡啶和聚吡咯複合膜。
聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件的製作方法，包括以下步驟1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的微晶玻璃基片，烘乾備用；2)將聚4-乙烯基吡啶與1，4-二溴丁烷溶解於N，N-二甲基甲醯胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶單元與1，4-二溴丁烷的摩爾比為1∶0.5～2，配製成聚合物濃度為10～30毫克/毫升的溶液，在30℃放置4～12h，得到前驅體溶液；3)採用浸塗機將步驟1)的微晶玻璃叉指金電極浸漬於前驅體溶液中0.5～2分鐘，提拉取出後，80～140℃溫度下交聯季胺化2～12h，在微晶玻璃叉指金電極表面形成聚電解質基底膜；4)將過硫酸銨和4-甲基苯磺酸同時溶解於去離子水中，過硫酸銨和4-甲基苯磺酸的質量比為1∶0.2～3，過硫酸銨濃度為0.2～4毫克/毫升，得到溶液A；5)採用浸塗機將經過步驟3)處理的微晶玻璃叉指金電極浸漬於溶液A中1～6分鐘，晾乾後，在0～50℃的飽和吡咯蒸汽中氣相聚合1～12h，經無水乙醇洗滌，50～80℃烘乾，得到聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件。
上述的微晶玻璃片基體表面的叉指金電極有8～16對，叉指金電極的叉指寬度為20～200μm，叉指間隙為20～200μm。
本發明的優點是1)所製備的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件是將聚電解質溼敏材料與本徵導電聚合物兩者的優點結合起來，利用本徵導電聚合物的優良導電性，尤其是在低溼環境下的導電性，和聚電解質溼敏材料對溼度的高靈敏度響應，通過調節兩者的組成比，使複合溼敏膜在寬的溼度範圍內，特別是中低溼(0～60％RH)下也具有適當的電阻，同時又具有較高的感溼靈敏度等優良溼敏響應特性；2)所製備的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件以交聯季胺化聚4-乙烯基吡啶為基底膜材料。這種基底膜材料在較寬的溼度範圍(＞33％RH)內具有很高的感溼靈敏度，而且在半對數坐標下響應線性度好；3)製備聚電解質基底膜時，前驅體溶液經過預交聯，可改善前驅體溶液的穩定性，利於提高製備基底膜的一致性和溼敏元件的成品率；4)所製備的基底膜經熱處理發生交聯季胺化反應，具有交聯結構，可有效提高基底膜的穩定性和耐水性；同時熱處理也可以消除基底膜中殘存的高沸點溶劑，減少其對於基底膜形貌的影響，提高基底膜的穩定性；5)所製備的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件中引入聚吡咯，它在低溼下也具有很好的導電性，能有效的降低複合溼敏元件的阻抗。其與具有高的感溼靈敏度的聚電解質基底膜複合，使複合溼敏元件在中低溼(0～60％RH)時也具有良好的感溼靈敏度，響應線性度和回復性；6)所製備的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件中導電聚合物膜是通過氣相聚合生長得到，氣相聚合可以使複合膜更加均勻，平整，從而提高元件的一致性和成品率；同時可很方便的通過改變氣相聚合生長溫度，時間，以及氧化劑過硫酸銨和摻雜劑4-甲基苯磺酸濃度等參數，調節複合溼敏元件中聚吡咯的含量，控制複合溼敏元件的阻抗；7)採用的浸塗方法和氣相聚合生長方法製備元件，簡便易行，元件一致性好，成品率高，適於批量生產；8)本發明的溼敏元件具有體積小，低成本，使用方便等優點。叉指寬度為20～200μm，叉指間隙為20～200μm的電極結構可使溼敏元件電阻降低，檢測範圍加寬，響應靈敏度提高，同時也可提高其穩定性。該溼敏元件可廣泛應用於工農業生產過程，倉儲，大氣環境監測時對於環境溼度精確測量與控制。
圖1是本發明的溼敏元件的結構示意圖；圖2是聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件基底膜和複合膜的溼敏響應特性曲線(半對數坐標)；圖3是聚電解質體徵導電聚合物複合溼敏元件的響應時間曲線；圖4是不同氣相聚合溫度下製得的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件在寬溼度(0～98％RH)範圍時的溼敏響應特性曲線(半對數坐標)；圖5是不同氣相聚合溫度下製得的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件在中低溼(0～60％RH)時的溼敏響應特性曲線(線性坐標)；具體實施方式
以下結合附圖和實施例進一步說明本發明。
參照圖1，聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件具有微晶玻璃基體1，在微晶玻璃基體表面有多對叉指金電極2，在叉指金電極上連接有引線4，在微晶玻璃片基體和叉指金電極表面塗覆有溼敏薄膜3，溼敏薄膜3為交聯季胺化的聚4-乙烯基吡啶和聚吡咯複合膜。
所說的微晶玻璃片基體表面的叉指金電極有8～16對，叉指金電極的叉指寬度為20～200μm，叉指間隙為20～200μm。
實施例11)用無水乙醇和丙酮浸泡清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的微晶玻璃基片，烘乾備用；2)將聚4-乙烯基吡啶與1，4-二溴丁烷溶解於N，N-二甲基甲醯胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶單元與1，4-二溴丁烷的摩爾比為1∶0.5，配製成聚合物濃度為10毫克/毫升的溶液，在30℃放置4h，得到前驅體溶液；3)採用浸塗機將步驟1)的微晶玻璃叉指金電極浸漬於前驅體溶液中0.5分鐘，提拉取出，80℃溫度下交聯季胺化12h，在微晶玻璃叉指金電極表面形成聚電解質基底膜；4)將過硫酸銨和4-甲基苯磺酸溶解於去離子水中，過硫酸銨和4-甲基苯磺酸的質量比為1∶0.2，過硫酸銨濃度為0.2毫克/毫升，得到溶液A；5)採用浸塗機將經過步驟3)處理的微晶玻璃叉指金電極浸漬於溶液A中1分鐘，晾乾後，在0℃的飽和吡咯蒸汽中氣相聚合12h，經無水乙醇洗滌，50℃烘乾，得到聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件。
實施例21)電極清洗同實施例1；2)將聚4-乙烯基吡啶與1，4-二溴丁烷溶解於N，N-二甲基甲醯胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶單元與1，4-二溴丁烷的摩爾比為1∶2，配製成聚合物濃度為30毫克/毫升的溶液，在30℃放置12h，得到前驅體溶液；3)採用浸塗機將步驟1)的微晶玻璃叉指金電極浸漬於前驅體溶液中2分鐘，提拉取出，140℃溫度下交聯季胺化2h，在微晶玻璃叉指金電極表面形成聚電解質基底膜；4)將過硫酸銨和4-甲基苯磺酸溶解於去離子水中，過硫酸銨和4-甲基苯磺酸的質量比為1∶3，過硫酸銨濃度為4毫克/毫升，得到溶液A；5)採用浸塗機將經過步驟3)處理的微晶玻璃叉指金電極浸漬於溶液A中6分鐘，晾乾後，在50℃的飽和吡咯蒸汽中氣相聚合1h，經無水乙醇洗滌，80℃烘乾，得到聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件。
實施例31)電極清洗同實施例1；2)將聚4-乙烯基吡啶與1，4-二溴丁烷溶解於N，N-二甲基甲醯胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶單元與1，4-二溴丁烷的摩爾比為1∶1，配製成聚合物濃度24毫克/毫升的溶液，在30℃放置12h，得到電解質前驅體溶液；3)採用浸塗機將步驟1)的微晶玻璃叉指金電極浸漬於前驅體溶液中1分鐘，提拉取出，110℃溫度下交聯季胺化10h，在微晶玻璃叉指金電極表面形成聚電解質基底膜；4)將過硫酸銨和4-甲基苯磺酸溶解於去離子水中，，過硫酸銨和4-甲基苯磺酸的質量比為1∶2，過硫酸銨濃度為1.5毫克/毫升，得到溶液A；5)採用浸塗機將經過步驟3)處理的微晶玻璃叉指金電極浸漬於溶液A中4分鐘，晾乾後，在25℃的飽和吡咯蒸汽中氣相聚合4h，經無水乙醇洗滌，70℃烘乾，得到聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件。本例製得的溼敏元件的聚電解質基底膜和聚電解質/本徵導電聚合物複合膜的溼敏響應特性見圖2，由圖可見，複合本徵導電聚合物後，在中低溼都具有適中的阻抗值，方便溼度測量。溼敏元件的響應時間特性見圖3，由圖可見，溼敏元件具有響應快，回復性好特性。
圖4所示為氣相聚合溫度分別為3℃，25℃時的聚電解質/本徵導電聚合物複合膜溼敏元件的溼敏響應特性曲線(半對數坐標)，由圖可見，複合溼敏元件在寬的溼度(0～98％RH)範圍內都具有靈敏度較高，線性度較好的特性。
圖5所示為氣相聚合溫度分別為3℃，25℃時的聚電解質/本徵導電聚合物複合膜溼敏元件的溼敏響應特性曲線(線性坐標)，由圖可見，複合溼敏元件在線性坐標時，在中低溼(0～60％RH)下具有很好的線性度和靈敏度。
權利要求
1.聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件，其特徵在於它具有微晶玻璃基體(1)，在微晶玻璃基體表面光刻和蒸發有多對叉指金電極(2)，在叉指金電極上連接有引線(4)，在微晶玻璃片基體和叉指金電極表面塗覆有溼敏薄膜(3)，溼敏薄膜為交聯季胺化的聚4-乙烯基吡啶和聚吡咯複合膜。
2.根據權利要求1所述的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件，其特徵在於微晶玻璃片基體表面的叉指金電極有8～16對，叉指金電極的叉指寬度為20～200μm，叉指間隙為20～200μm。
3.根據權利要求1所述的聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件的製作方法，其特徵在於包括以下步驟1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的微晶玻璃基片，烘乾備用；2)將聚4-乙烯基吡啶與1，4-二溴丁烷溶解於N，N-二甲基甲醯胺中，聚合物中的4-乙烯基吡啶單元與1，4-二溴丁烷的摩爾比為1∶0.5～2，配製成聚合物濃度為10～30毫克/毫升的溶液，在30℃放置4～12h，得到前驅體溶液；3)採用浸塗機將步驟1)的微晶玻璃叉指金電極浸漬於前驅體溶液中0.5～2分鐘，提拉取出後，80～140℃溫度下交聯季胺化2～12h，在微晶玻璃叉指金電極表面形成聚電解質基底膜；4)將過硫酸銨和4-甲基苯磺酸同時溶解於去離子水中，過硫酸銨和4-甲基苯磺酸的質量比為1∶0.2～3，過硫酸銨濃度為0.2～4毫克/毫升，得到溶液A；5)採用浸塗機將經過步驟3)處理的微晶玻璃叉指金電極浸漬於溶液A中1～6分鐘，晾乾後，在0～50℃的飽和吡咯蒸汽中氣相聚合1～12h，經無水乙醇洗滌，50～80℃烘乾，得到聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件。
4.根據權利要求3所述聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件的製作方法，其特徵在於所說的叉指金電極的叉指寬度為20～200μm，叉指間隙為20～200μm。
全文摘要
本發明公開了一種聚電解質/本徵導電聚合物複合溼敏元件及其製作方法。它是以微晶玻璃為基片，其上有多對叉指金電極，在微晶玻璃片基體和叉指金電極表面塗覆有交聯季胺化的聚4－乙烯基吡啶和聚吡咯複合溼敏薄膜。本發明製備工藝簡單，成本低，尤其適用於批量生產。所製備的溼敏元件在寬的溼度範圍，特別是在中低溼(0～60％RH)環境下均具有阻抗值適中，靈敏度高，線性度好，響應快，回復性佳，穩定性強，在室溫下檢測等特點，可廣泛應用於工農業生產過程，倉儲，大氣環境監測時對於環境溼度精確測量與控制。
文檔編號G01N27/12GK101078704SQ20071006973
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者李揚, 洪利傑, 楊慕傑 申請人:浙江大學