CN102323300A - 一种聚电解质和石墨烯复合电阻型湿敏元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件及其制作方法，它是以陶瓷为基片，其上有多对叉指金电极，在陶瓷基片和叉指金电极表面涂敷有湿敏薄膜，湿敏薄膜为聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵和石墨烯复合物。该湿敏元件在宽的湿度范围，特别是在低湿度环境下均具有阻抗值适中、灵敏度高、线性度好、湿滞小、在室温下检测等特点，可广泛应用于工农业生产、仓储、大气环境监测等领域对于环境湿度，尤其是低湿环境下湿度的精确测量与控制。

Description

一种聚电解质和石墨烯复合电阻型湿敏元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种聚电解质和石墨烯复合电阻型湿敏元件及其制作方法。

背景技术

湿度检测在现代工农业生产和环境监测中具有日益重要的作用。作为检测湿度最为常用而有效的方法，湿度传感器的研究也因而受到各国普遍重视。近年来，高压电气设备越来越多的应用在生产生活的各个方面，而用于高压变电设备绝缘的介质六氟化硫气体中水分含量对于其绝缘性能有着显著影响，并影响设备寿命和安全，因此低湿环境的监测亦受到很大的关注。高分子电阻型湿度传感器具有响应灵敏度高、制备简便、价格低廉、易于改性调控性能等优点，成为湿度传感器研究发展的重点。当前高分子电阻型湿度传感器主要以聚电解质为主，这类材料响应灵敏度比较高，但同时这类材料在低湿环境下具有很高的电阻，难以测定，大大限制了其在低湿检测中的应用。为此，有必要通过化学修饰、复合等方法对于高分子湿敏材料进行改性，以降低其低湿电阻，扩大检测量程，改善其低湿响应特性。将聚电解质与高分子和无机导电材料等通过共聚、共混等方法复合，可以在一定程度上降低复合材料的电阻，有望制备可检测低湿环境的电阻型湿度传感器。

2004年 Geim等人发现石墨烯材料，在科学界激起了巨大的波澜，仅仅过了六年时间，即在2010年获得诺贝尔物理学奖。人们发现，石墨烯这种新型二维纳米材料具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，有望在现代电子科技领域引发一轮革命。石墨烯是已知材料中最薄的一种，非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快：其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。由此可用于制备室温弹道场效应晶体管，单电子器件以及集成电路，此外它还在复合材料、电池电极材料、储氢材料、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种在宽的湿度范围内，特别是在低湿环境下具有响应灵敏度高、湿滞小、可室温检测的聚电解质和石墨烯复合电阻型湿敏元件及其制作方法。

本发明的聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件，具有陶瓷基体，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜，湿敏薄膜为聚二烯丙基二甲基氯化铵与石墨烯复合湿敏材料。

聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件的制作方法，包括以下步骤：

1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2）将1-5克 25%wt的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液用5-15毫升去离子水稀释；

3）将5-25毫克氧化石墨烯加入5-15毫升水中，超声振荡处理15-45分钟，然后逐滴加入到步骤2）制备的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中，继续超声振荡处理15-45分钟后，加入0.1-0.5毫升质量含量为85%的水合肼，在65-125℃下加热5-15小时，得到前驱体溶液；

4）将步骤1）的陶瓷叉指金电极浸渍于步骤3）制备的前驱体溶液中0.5-2分钟，提拉取出后，在60-120℃下加热1-10小时，得到覆盖有聚电解质和石墨烯复合湿敏薄膜的电阻型湿敏元件。

本发明的优点在于：

1）阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)是一种常见的聚电解质材料，其湿滞小，响应灵敏度高。但是存在低湿下电阻高的缺点，难以用于低湿环境测定，限制了其实际应用的范围。石墨烯作为一种具有优异导电性的二维纳米导电材料，与聚电解质PDDA复合后明显降低了元件在干燥环境下的电阻，使其在低湿下仍具有很好的线性响应，同时它没有影响聚电解质湿敏材料PDDA的其它优异湿敏响应特性，复合物仍然体现出很小的湿滞。

2）石墨烯具有良好的导电性，但是其不溶不熔，难以直接实现与聚电解质良好复合。为此，选用在溶液中具有良好分散性的氧化石墨烯与聚电解质PDDA直接进行溶液共混。通过浸涂方法，将复合物薄膜沉积于叉指金电极上，再进行一步化学还原，即可制得石墨烯与聚电解质复合薄膜电阻型湿敏元件。该方法简便易行，避免了通常纳米材料与聚合物复合时，为了改善其分散特性而需要对于纳米材料进行复杂的化学修饰改性，采用浸涂方法制备的元件一致性好，成品率高，尤其适于批量生产；

3）石墨烯的导电性很高，而且不受环境湿度影响，其与聚电解质复合，可显著降低湿敏元件在低湿环境下的电阻，从而方便地实现低湿环境测定；而且作为二维纳米材料，其与聚电解质PDDA复合，可显著提高湿敏膜的比表面积，从而加快响应和增加响应灵敏度，此外石墨烯良好的化学稳定性也有利于湿敏元件稳定性的提高；

4）本发明的湿敏元件具有体积小，低成本，使用方便等优点。采用基底为多孔陶瓷的叉指金电极结构，可以改善湿敏薄膜与电极基底的接触性，提高元件的稳定性。该湿敏元件可广泛应用于工农业生产过程、仓储、大气环境监测时对于环境湿度精确测量与控制， 特别是低湿环境的湿度检测。

附图说明

图1 是本发明的湿敏元件的结构示意图；

图2 是聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件的湿滞曲线；

图3 是聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件的低湿响应曲线；

图4是聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件的响应时间曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

参照图1，本发明的聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件，具有陶瓷基体1，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线4，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜3，湿敏薄膜3为聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和石墨烯复合湿敏材料。

所说的陶瓷片基体表面的叉指的叉指宽度为20-200 μm，叉指间隙为20-200 μm。

实施例1：

1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2）将5克 25%wt的PDDA溶液用5毫升去离子水稀释；

3）将5毫克氧化石墨烯加入5毫升水中，超声振荡处理15分钟，然后逐滴加入到步骤2）制备的PDDA溶液中，继续超声振荡处理15分钟后，加入0.1毫升质量含量为85%的水合肼，在65℃下加热5小时，得到前驱体溶液；

4）将步骤1）的陶瓷叉指金电极浸渍于步骤3）制备的前驱体溶液中0.5分钟，提拉取出后，在60℃下加热1小时，得到覆盖有聚电解质和石墨烯复合湿敏薄膜的电阻型湿敏元件。

实施例2：

1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2）将3克 25%wt的PDDA溶液用7毫升去离子水稀释；

3）将7毫克氧化石墨烯加入7毫升水中，超声振荡处理20分钟，然后逐滴加入到步骤2）制备的PDDA溶液中，继续超声振荡处理20分钟后，加入0.2毫升质量含量为85%的水合肼，在125℃下加热7小时，得到前驱体溶液；

4）将步骤1）的陶瓷叉指金电极浸渍于步骤3）制备的前驱体溶液中0.8分钟，提拉取出后，在70℃下加热2小时，得到覆盖有聚电解质和石墨烯复合湿敏薄膜的电阻型湿敏元件。

实施例3：

1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2）将1克 25%wt的PDDA溶液用10毫升去离子水稀释；

3）将15毫克氧化石墨烯加入10毫升水中，超声振荡处理30分钟，然后逐滴加入到步骤2）制备的PDDA溶液中，继续超声振荡处理30分钟后，加入0.4毫升质量含量为85%的水合肼，在80℃下加热10小时，得到前驱体溶液；

4）将步骤1）的陶瓷叉指金电极浸渍于步骤3）制备的前驱体溶液中1.5分钟，提拉取出后，在90℃下加热5小时，得到覆盖有聚电解质和石墨烯复合湿敏薄膜的电阻型湿敏元件。

实施例4：

1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2）将5克 25%wt的PDDA溶液用15毫升去离子水稀释；

3）将25毫克氧化石墨烯加入15毫升水中，超声振荡处理45分钟，然后逐滴加入到步骤2）制备的PDDA溶液中，继续超声振荡处理45分钟后，加入0.5毫升质量含量为85%水合肼，在125℃下加热15小时，得到前驱体溶液；

4）将步骤1）的陶瓷叉指金电极浸渍于步骤3）制备的前驱体溶液中2分钟，提拉取出后，在120℃下加热10小时，得到覆盖有聚电解质和石墨烯复合湿敏薄膜的电阻型湿敏元件。

该湿敏元件的湿滞曲线见图2，由图所见，聚电解质PDDA和石墨烯复合的电阻型湿敏元件的湿滞很小，约为1%RH；

由图3可见，在0.25-30%RH的低湿环境下，复合湿敏元件在半对数坐标下具有很好的响应线性度，而且响应灵敏度较高，体现出很好的湿敏响应特性；

由图4可见，将本发明制备的复合湿敏元件在84%RH和11%RH的高低湿环境下转换时，元件吸湿响应很快，响应时间仅为9秒，但脱湿较慢，响应时间为150秒。

Claims (2)

1.一种聚电解质和石墨烯复合的电阻型湿敏元件，其特征在于：它具有陶瓷基体⑴，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极⑵，在叉指金电极上连接有引线⑷，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜⑶，湿敏薄膜为聚二烯丙基二甲基氯化铵和石墨烯复合物。

2.根据权利要求1所述的聚电解质和石墨烯复合电阻型湿敏元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2）将1-5克 25%wt的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液用5-15毫升去离子水稀释；

3）将5-25毫克氧化石墨烯加入5-15毫升水中，超声振荡处理15-45分钟，然后逐滴加入到步骤2）制备的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中，继续超声振荡处理15-45分钟后，加入0.1-0.5毫升质量含量为85%的水合肼，在65-125℃下加热5-15小时，得到前驱体溶液；

4）将步骤1）的陶瓷叉指金电极浸渍于步骤3）制备的前驱体溶液中0.5-2分钟，提拉取出后，在60-120℃下加热1-10小时，得到覆盖有聚电解质和石墨烯复合湿敏薄膜的电阻型湿敏元件。

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