专利名称：有机高分子－无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。
背景技术：
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，如粮食防霉、高空气象探测、温室种植等，因此得到了广泛的关注和研究。目前采用的湿敏材料主要有无机氧化物陶瓷和有机高分子两种，而以有机高分子电阻型湿敏材料发展较为迅速。但无机和有机高分子湿敏材料均存在耐高湿环境能力差，稳定性和可靠性不甚理想等缺点，极大地阻碍了湿度传感器的实际应用。
发明内容
本发明目的是提供一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。
有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件具有微晶玻璃基体，在微晶玻璃基体表面上布置有叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在微晶玻璃基体和叉指金电极上涂覆有感湿膜。
有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法是以微晶玻璃为基片，其上布置多对叉指金电极，用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍于感湿液中，采用浸涂方法制成湿度敏感膜，经热处理及交联处理后，制得有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件。
本发明的优点是1)在制备湿敏膜层时，采用有机高分子—无机纳米复合湿敏材料制备感湿膜。其中含硅高分子聚电解质湿敏材料具有响应快，灵敏度高，耐高湿环境能力较好的优点，而无机纳米ZnO湿敏材料由于与水分子作用能力较弱，也具有响应快，湿滞小的特点，复合湿敏膜能结合有机无机湿敏材料的优点，使得元件响应迅速，湿滞小，特别耐高湿环境性能好；2)在制备湿敏膜层时，对元件进行热处理及交联处理，使得有机高分子聚电解质形成交联结构，与绝缘基底和叉指金电极结合紧密，而且能较好的固定无机纳米粒子，提高了元件的稳定性和耐水性；
3)在制备湿敏膜层时，采用了将含硅有机高分子聚电解质和纳米ZnO胶体乙醇溶液进行溶液共混的方法，使得无机纳米材料分散良好，复合体系具有较好的稳定性，有利于提高元件的一致性和成品率；4)在制备含硅有机高分子聚电解质时，采用可聚合阳离子季胺盐与功能性硅烷进行共聚。通过调节两种共聚单体的比例，一方面使其具有一定的导电能力，可以测定中高湿环境湿度，另一方面，功能性硅烷的引入使得共聚物可以进行交联反应，提高与基底和叉指金电极的结合能力，并能有效地固定无机纳米粒子，从而进一步提高元件的耐水性和稳定性；5)在制备无机纳米ZnO时，以醋酸锌为原料，乙醇为溶剂，并以氢氧化物中和。通过控制中和程度，可获得稳定的纳米ZnO胶体乙醇溶液。
6)采用有机高分子—无机纳米复合材料制备湿敏膜，并经热处理和交联处理，可明显提高元件耐水性和抗高湿环境能力，而无需在湿敏膜上覆盖疏水性保护膜。采用该方法制备湿敏元件，简便易行，元件一致性好，成品率高，适于批量生产。
图1是有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的结构示意图；图2是有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件典型响应结果图；图3是有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件耐水性测试结果图。
具体实施例方式
有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件具有微晶玻璃基体1，在微晶玻璃基体表面上布置有叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线4，在微晶玻璃体和叉指金电极上涂覆有感湿膜3。
所说的叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间距为20～200μm，叉指数目为5～18对。
湿度敏感膜的制备方法为采用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍于感湿液中1～3分钟，提拉取出后，室温自然干燥20～60分钟，80～140℃温度下热处理0.5～4小时，随后置于PH＝1～6的酸性水溶液中2～60分钟，再将元件晾干，80～120℃加热1～4小时。
感湿液为(1)具有(I)结构的含硅的聚电解质，其中X-是卤离子，以及字母y是1-8的数； (2)纳米ZnO胶体，其中无机纳米粒子尺寸小于50纳米。两者以1∶0.05～0.6的重量比，配置成重量百分浓度为0.5％～5％的乙醇溶液。
实施例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，超声波清洗，烘干备用；2)浸涂湿度敏感膜及后处理采用浸涂机将陶瓷叉指金电极浸入感湿液中1～3分钟后，提拉取出，室温自然干燥20～60分钟，80～140℃温度下热处理0.5～4小时，随后置于PH＝1～6的酸性水溶液中2～60分钟，再将元件晾干，80～120℃加热1～4小时。
感湿液为(1)具有(II)结构的含硅的聚电解质； (2)纳米ZnO胶体，其中无机纳米粒子尺寸小于50纳米。两者以1∶0.05～0.6的重量比，配置成重量百分浓度为0.5％～5％的乙醇溶液。
所制备的含硅有机高分子聚电解质湿敏材料，可聚合阳离子季胺盐与功能性硅单体必须具有适当比例，这样才能保证聚电解质有一定的导电能力，扩大测定湿度范围，同时又有一定的硅功能基团，保证其具有一定的交联能力，提高其耐水性和稳定性。
所制各的无机纳米ZnO湿敏材料，其中和程度必须适当，以保证获得ZnO胶体具有良好的稳定性。
制备感湿层时，含硅聚电解质湿敏材料与无机纳米ZnO必须以一恰当比例混合，才能使元件阻抗不会太高，以使其能测定中、高湿环境，同时又使元件响应线性度好，且具有较小湿滞，同时使湿敏膜与电极粘结较好，提高元件稳定性。由于响应时间与敏感膜厚度密切相关，控制适当浸涂速度和浸渍时间，可以调节膜厚度，使元件响应迅速。
湿敏膜必须进行交联处理，才能提高其与叉指金电极及微晶玻璃基底的粘结能力，以及有效固定无机ZnO纳米粒子，提高湿敏元件的耐水性和抗高湿环境能力。本发明所涉及方法采用浸涂工艺制备元件，简便易行，而且制备元件一致性好，成品率高。
采用本发明所涉及方法制备的有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件，具有良好的湿敏响应特性其在中高湿范围内阻抗随湿度几乎线性变化，且响应灵敏度较高，湿滞小(＜2％RH)，如图二所示；元件响应十分迅速，在33％～98％RH之间，90％响应时间为吸湿5秒，脱湿3秒；经交联处理后，元件耐水性较好，浸水30分钟，响应几乎不变，如图三所示。尤其适于测定高湿环境湿度。
权利要求
1.一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件，其特征在于它具有微晶玻璃基体(1)，在微晶玻璃基体表面上布置有叉指金电极(2)，在叉指金电极上连接有引线(4)，在微晶玻璃基体和叉指金电极上涂覆有感湿膜(3)。
2.根据权利要求1所述的有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件，其特征在于所说的叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间距为20～200μm，叉指数目为5～18对。
3.根据权利要求1所述的一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件，其特征在于所说感湿膜的感湿液的组成为1)具有(I)结构的含硅的聚电解质，其中X-是卤离子，以及字母y是1-8的数； 2)纳米ZnO胶体，其中无机纳米粒子尺寸小于50纳米，两者以1∶0.05～0.6的重量比，配置成重量百分浓度为0.5％～5％的乙醇溶液。
4.一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于它是以微晶玻璃为基片，其上布置多对叉指金电极，用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍于感湿液，以浸涂方法覆盖湿敏膜，经热处理后，再进行交联处理，得到有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件。
5.根据权利要求4所述的一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于所说的叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间距为20～200μm，叉指数目为5～18对。
6.根据权利要求4中所述的一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于所说的感湿液为(1)含硅聚电解质，其结构如(I)所示，其中X-是卤离子，以及字母y是1-8的数；(2)纳米ZnO胶体，其中无机纳米粒子尺寸小于50纳米。两者以1∶0.05～0.6的重量比，配置成重量百分浓度为0.5％～5％的乙醇溶液。
7.根据权利要求4中所述的一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于所说的热处理方法为将涂布湿敏膜的元件晾干，然后80～140℃温度下热处理0.5～4小时；
8.根据权利要求4中所述的一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法，其特征在于所说的交联处理方法为将制备的湿敏元件置于PH＝1～6的酸性水溶液中2～60分钟，再将元件晾干，80～120℃加热1～4小时。
全文摘要
本发明公开了一种有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。它是以微晶玻璃为基片，其上布置多对叉指金电极，用浸涂机将微晶玻璃叉指金电极浸渍于感湿液中，采用浸涂方法制成湿度敏感膜，经热处理及交联处理后，制得有机高分子—无机纳米复合电阻型薄膜湿敏元件。其湿度敏感薄膜是由一种含硅的聚电解质与无机纳米湿敏材料复合形成的，且该薄膜借助热处理及交联作用与基底及金电极很好的粘合。该方法工艺简单，成本低，尤其适于批量生产。所制备的湿敏元件具有优良的耐水性。其响应线性度好，灵敏度高，响应迅速，抗结露，耐高湿环境能力强，尤其适于测定高湿环境湿度，可广泛应用于大气环境湿度的精确测量与控制。
文档编号G01N27/02GK1459876SQ02158209
公开日2003年12月3日 申请日期2002年12月19日 优先权日2002年12月19日
发明者李扬, 佘勇, 黄德欢, 杨慕杰 申请人:李扬, 黄德欢, 杨慕杰