CN100439910C

CN100439910C - 高耐水特性的高分子电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法

Info

Publication number: CN100439910C
Application number: CNB2006100536917A
Authority: CN
Inventors: 杨慕杰; 吕鑫; 李扬
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: CN1932498A

Abstract

本发明公开了一种高耐水特性的高分子电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。该湿敏材料由γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷两种原料，通过简便的方法制备。两者的摩尔比为1∶0.5～2。该湿敏元件的特征是在具有8～16对叉指金电极的微晶玻璃片表面，涂覆有感湿膜。感湿膜为上述二种原料经季胺化和水解及加热交联自聚形成的含硅阳离子电解质自聚物。该湿敏元件的制备方法是采用浸涂工艺及加热后处理的方法，先制得涂覆有感湿膜的微晶玻璃叉指金电极，然后进行老化处理制得。本发明制备方法简单，成本低，尤其适用于批量生产。所制备的湿敏元件具有宽湿度量程，灵敏度高，响应线性度好，尤其有高耐水特性，可广泛应用于过程及环境湿度的精确测量与控制。

Description

高耐水特性的高分子电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种高耐水特性的高分子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。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。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。但它仍存在长期稳定性和可靠性不够理想的问题，阻碍和制约了其实际应用和进一步发展。这主要是因为电阻型湿敏材料，通常其耐水性比较差，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高耐水特性的高分子电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。

高耐水含硅阳离子电解质自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电解质自聚物。其由γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷经季胺化和水解反应，形成阳离子单体γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐，再经加热交联自聚而成。

高耐水含硅阳离子电解质自聚物电阻型薄膜湿敏元件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2～6mm/秒的速度提拉、取出后，在80～120℃热处理5～15小时制得感湿膜；感湿液的制备方法为：由γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷，按摩尔比1∶0.5～2加入反应瓶，并在氩气氛和40～50℃下反应20～30小时，进行季胺化；然后升温至50～70℃，再加入两者总重11～15％的无水乙醇，在酸性条件下进行水解反应1～3小时；用***沉淀，经真空干燥，得到γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐，最后用其配成30～50％重量百分浓度的乙醇溶液；

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100～600mv，1kHz的交流电压，通电老化20～50小时，制得高耐水含硅聚合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20～80μm，叉指间隙为40～80μm，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γ-氨丙基三乙氧基硅烷季胺盐无水乙醇溶液的浓度，及季胺化程度，可调节湿敏元件的阻抗高低及吸湿和脱湿响应速度，使制得的湿敏元件具有好的湿滞特性(～1％RH)，和好的感湿响应特性；

3.含硅自聚物中，由烷氧基(Si-OR)水解转化成硅醇基(Si-OH)，一部分自聚成具有交联结构的疏水性网络，另一部分能进一步与微晶玻璃片基体上的羟基(-OH)形成氢键结合，增强了湿敏膜与微晶玻璃片基体的粘结性，两者的协同作用，使制得的湿敏元件具有高耐水特性；

4.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；

5.采用本发明设计的湿敏材料和方法制备的湿敏元件，是以含硅阳离子电解质自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，特别具有小的湿滞和高的耐水特性，而且湿敏材料的制备和湿敏元件制作简便易行，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的耐水特性图。

具体实施方式

本发明原理是采用含硅阳离子电解质自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。由含硅阳离子电解质自聚物中的季胺盐提供可迁移的离子；自聚物中，由硅氧烷水解交联，自聚成具有交联结构的疏水性网络，用其调控湿敏元件的脱湿，及提高湿敏元件的耐水性。同时，利用其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，增强湿敏膜与微晶玻璃片基体的粘结性，两者协同作用，从而大大提高湿敏元件的耐水性。采用该湿敏材料，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又同时具有高耐水特性的先进高分子电阻型湿敏元件，而且制作简便易行，成本低。

含硅聚合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，感湿膜为高耐水含硅阳离子电解质自聚物。

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20～80μm，叉指间隙为40～80μm，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电解质自聚物，其由γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷形成阳离子单体-γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐，再经加热交联自聚而成。感湿液为γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的无水乙醇溶液，重量百分浓度为30～50％。

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.γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的制备

将γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷，按摩尔比1∶2加入反应，并在氩气氛和40℃下反应30小时，进行季胺化；然后升温至50℃在酸性条件下进行水解反应3小时；用***沉淀，经真空干燥，得到γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐。

3.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(30％重量百分浓的γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的无水乙醇溶液)中，4分钟后，以2mm/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。

4.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600mv，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.γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的制备

将γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷，按摩尔比1∶1加入反应，并在氩气氛和45℃下反应25小时，进行季胺化；然后升温至60℃在酸性条件下进行水解反应2小时；用***沉淀，经真空干燥，得到γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐。

3.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％重量百分浓的γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的无水乙醇溶液)中，2分钟后，以4mm/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。

4.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200mv，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，耐水特性如图4。

实施例3：

1.电极清洗同实施例1

2.γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的制备

将γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷，按摩尔比1∶0.5加入反应，并在氩气氛和50℃下反应20小时，进行季胺化；然后升温至70℃在酸性条件下进行水解反应1小时；用***沉淀，经真空干燥，得到γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐。

3.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(50％重量百分浓的γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐的无水乙醇溶液)中，1分钟后，以6mm/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。

Claims

1.一种高耐水含硅阳离子电解质自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)为含硅阳离子电解质自聚物，含硅阳离子电解质自聚物由γ-氨丙基三乙氧基硅烷与溴代正丁烷经季胺化和水解反应，形成阳离子单体γ-氨丙基三乙氧基硅烷季铵盐，再经加热交联自聚而成。

2.根据权利要求1所述的一种高耐水含硅阳离子电解质自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20～80μm，叉指间隙为40～80μm，每个叉指长度为2～3mm，电极尺寸为6mm×5mm×0.5mm。