專利名稱：具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件。
背景技術：
濕度在人類生產(chǎn)和生活中起到十分重要的作用，而濕度傳感器則是檢測濕度 的最常用而有效的方法。目前商品化的濕度傳感器主要有無機陶瓷半導體型和 有機高分子型。而高分子型濕度傳感器以其響應特性好，測量范圍寬，穩(wěn)定性 好，可室溫檢測，易于集成化，小型化批量生產(chǎn)，價格低廉等優(yōu)點，已成為濕 度傳感器的主流。其中高分子電阻型濕度傳感器制備非常簡便，性能良好，且 易于集成于系統(tǒng)中實現(xiàn)濕度的測量和控制，是濕度傳感器研究和發(fā)展的重點之 一。然而，這類傳感器多采用傳統(tǒng)的線型高分子電解質作為敏感材料，它們在 低濕環(huán)境下由于離子遷移困難，電導率低，導致其電阻過高難以測定，給其測 量低濕環(huán)境帶來較大困難，也在一定程度上阻礙了其進一步推廣應用。為此， 需要對于高分子濕度敏感材料進行修飾改性，以其提高其在低濕環(huán)境下的導電 性，適應測定低濕環(huán)境的要求。 發(fā)明內容
本實用新型的目的是提供一種在整個濕度范圍內，特別是在低濕環(huán)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(wěn)定性強，可室溫 檢測的具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件。
本實用新型的超支化結構的高分子電阻型濕敏元件具有陶瓷基體，在陶瓷 基體表面光刻和蒸發(fā)有多對叉指金電極，在叉指金電極上連接有引線，在陶瓷 基體和叉指金電極表面涂覆有高分子季銨鹽濕濕敏薄膜。
具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件的制作方法，包括以下步驟
1) 清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2) 在除水除氧處理后的100毫升三口燒瓶中，依次加入10 20克具有結 構(0的超支化化合物H20, 10 20克丁二酸酐，0.1 0.4克SnCl2， 30 60毫升 二氧六環(huán)，通氬氣30分鐘，然后升溫至10(TC 150'C，在氬氣保護下攪拌反應 24 48小時，得到透明粘稠液體，命名為H20-COOH;3) 在除水除氧處理后的250毫升三口燒瓶中，依次加入20 30克3-二甲 氨基-l-丙醇,30 40克溴代正丁烷,60 100毫升丙酮，攪拌均勻，通氬氣30分 鐘，然后升溫至30 6(TC，在氬氣保護下攪拌反應24 48小時，得到白色沉淀， 真空抽濾，以丙酮洗滌數(shù)次，室溫下真空干燥過夜,命名為OH-N+;
4) 在除水除氧處理后的50毫升三口燒瓶中，依次加入10 20克H20-COOH, 10 20克OH-N+, 0.1 0.2克對甲苯磺酸，升溫至120 160°C ，通氬氣反應3 6小時，然后抽真空，在120 16(TC下繼續(xù)反應3 6小時，反應結束后，體系 降至室溫下，并用乙醇稀釋，在乙醚中沉淀，真空抽濾，室溫下真空干燥過夜, 命名為H20-N+;
5) 將H20-N+溶解在乙醇溶劑中，配制成濃度為5 80毫克/毫升的溶液， 在室溫下靜置6 12小時，得到前驅體溶液，采用浸涂機將步驟l)的陶瓷叉指 金電極浸漬于前驅體溶液中0.5 2分鐘，提拉取出后，70 90°C溫度下干燥烘 干。
上述的陶瓷片基體表面的叉指金電極的叉指寬度為20~200 )Lim，叉指間隙為 20 200 ,
本實用新型的有益效果在于
1)超支化結構分子末端帶有大量的官能團，易于實現(xiàn)端基改性，賦予其各 種各樣的功能。并且其還具有良好的溶解性和優(yōu)異的成膜性能等優(yōu)點，將其引 入高分子中，制備具有超支化結構的的高分子季胺鹽濕敏薄膜，其具有良好的 溶解性和成膜性，而且其末端具有大量的季胺化單元，可明顯提高其離子電導 率，有利于降低電阻，尤其是在低濕環(huán)境下的電阻，解決低濕環(huán)境阻抗過高難以測定的問題。
2) 由于超支化高分子濕敏薄膜具有獨特的聚集態(tài)結構，有利于離子運動及 電荷傳輸，從而可改善其在低濕環(huán)境下的導電能力，使?jié)衩粼哂休^低的阻 抗，可用于測定低濕環(huán)境下濕度；
3) 超支化高分子季胺鹽濕敏薄膜，大量離子基團位于超支化分子的末端， 利于環(huán)境中水分子的吸附和脫附，從而使其具有較快的吸濕和脫濕響應速度， 響應時間較短；
4) 超支化結構的高分子電阻型季胺鹽濕敏薄膜與典型的線型化高分子季胺 鹽具有相同的離子基團，這種感濕基團可導致濕敏薄膜在較寬的濕度范圍內具
有很高的感濕靈敏度，而且在半對數(shù)坐標下響應線性度好；
5) 濕敏薄膜的合成制備過程簡單，原料價格便宜，適合于批量生產(chǎn)；
6) 采用浸涂的方法制備元件，簡便易行，元件一致性好，成品率高，適于 批量生產(chǎn)；
7) 本實用新型的濕敏元件具有體積小，低成本，使用方便等優(yōu)點。叉指寬 度為20 200(im，叉指間隙為20 200 pm的叉指金電極結構，以及陶瓷基體可 以改善濕敏薄膜與電極基體的接觸性，提高元件的穩(wěn)定性。該濕敏元件可廣泛 應用于工農業(yè)生產(chǎn)過程,倉儲,大氣環(huán)境監(jiān)測時對于環(huán)境濕度精確測量與控制。

圖l是本實用新型的濕敏元件的結構示意圖2是具有超支化結構的高分子濕敏薄膜的合成過程示意圖3是H20， H20-COOH和具有超支化結構的高分子季胺鹽電阻型濕敏元件
的濕敏響應特性曲線；
圖4是具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件的響應時間曲線； 圖5是具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件的濕滯曲線。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例進一步說明本實用新型。
參照圖1，具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件具有陶瓷基體1在陶瓷 基體表面光刻和蒸發(fā)有多對叉指金電極2，在叉指金電極上連接有引線4，在陶 瓷基體和叉指金電極表面涂覆有濕敏薄膜3，濕敏薄膜3為具有超支化結構的高 分子季銨鹽濕敏材料。
所說的陶瓷片基體表面的叉指的叉指寬度為20 200 Kim，叉指間隙為20 200 ,
5實施例1:
1) 清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2) 在除水除氧處理后的100毫升三口燒瓶中，依次加入10克具有結構(I) 的超支化化合物H20, 10克丁二酸酐，0.2克SnCl2， 30毫升二氧六環(huán)，通氬氣30 分鐘，然后升溫至120'C，在氬氣保護下攪拌反應36小時，得到透明粘稠液體， 命名為H20-COOH。
3) 在除水除氧處理后的250毫升三口燒瓶中，依次加入20克3-二甲氨基-1-丙醇，30克溴代正丁垸，80毫升丙酮，攪拌均勻，通氬氣30分鐘，然后升溫至 40°C，在氬氣保護下攪拌反應36小時，得到大量的白色沉淀，真空抽濾，以丙 酮洗滌數(shù)次，室溫下真空干燥過夜，命名為OH-N+。
4) 在除水除氧處理后的50毫升三口燒瓶中，依次加入10克H20-COOH， 10 克OH-N+，0.1克對甲苯磺酸，升溫至120'C ，通氬氣反應3小時，然后抽真空， 在120。C下繼續(xù)反應3小時，反應結束后，體系降至室溫下，并用乙醇稀釋，在 乙醚中沉淀，真空抽濾，室溫下真空干燥過夜,命名為H20-N+。
5) 將H20-N+溶解在乙醇溶劑中，配制成濃度為5毫克/毫升的溶液，在室 溫下靜置6小時，得到前驅體溶液，采用浸涂機將步驟l)的陶瓷叉指金電極浸 漬于前驅體溶液中l(wèi)分鐘，提拉取出后，70。C溫度下干燥烘干1小時，得到具 有超支化結構的高分子季銨鹽電阻型濕敏元件。
實施例2:
1) 清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2) 在除水除氧處理后的100毫升三口燒瓶中，依次加入12克具有結構(I) 的超支化化合物H20， 12克丁二酸酐，0.24克SnCl2, 30毫升二氧六環(huán)，通氬氣 30分鐘，然后升溫至12(TC，在氬氣保護下攪拌反應36小時，得到透明粘稠液 體，命名為H20-COOH。
3) 在除水除氧處理后的250毫升三口燒瓶中，依次加入26克3-二甲氨基-1-丙醇，34克溴代正丁垸，80毫升丙酮，攪拌均勻，通氬氣30分鐘，然后升溫至 40°C，在氬氣保護下攪拌反應36小時，得到大量的白色沉淀，真空抽濾，以丙 酮洗漆數(shù)次，室溫下真空干燥過夜，命名為OH-N+。
4) 在除水除氧處理后的50毫升三口燒瓶中，依次加入10克H20-COOH, 10 克OH-N+,0.2克對甲苯磺酸，升溫至140'C ，通氬氣反應4小時，然后抽真空， 在140'C下繼續(xù)反應4小時，反應結束后，體系降至室溫下，并用乙醇稀釋，在 乙醚中沉淀，真空抽濾，室溫下真空干燥過夜,命名為H20-N+。5)將H20-N+溶解在乙醇溶劑中，配制成濃度為40毫克慮升的溶液，在室 溫下靜置6小時，得到前驅體溶液，采用浸涂機將步驟l)的陶瓷叉指金電極浸 漬于前驅體溶液中1分鐘，提拉取出后，7(fC溫度下干燥烘干1小時，得到具 有超支化結構的高分子季銨鹽電阻型濕敏元件。 實施例3:
1) 清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘千備用；
2) 在除水除氧處理后的100毫升三口燒瓶中，依次加入20克具有結構(1) 的超支化化合物H20, 20克丁二酸酐，0.4克SnCl2， 60毫升二氧六環(huán)，通氬氣30 分鐘，然后升溫至120'C，在氬氣保護下攪拌反應48小時，得到透明粘稠液體， 命名為H20-COOH。
3) 在除水除氧處理后的250毫升三口燒瓶中，依次加入30克3-二甲氨基-1-丙醇,40克溴代正丁烷，100毫升丙酮，攪拌均勻，通氬氣30分鐘，然后升溫至 60'C，在氬氣保護下攪拌反應36小時，得到大量的白色沉淀，真空抽濾，以丙 酮洗滌數(shù)次，室溫下真空干燥過夜，命名為OH-N+。
4) 在除水除氧處理后的50毫升三口燒瓶中，依次加入20克H20-COOH, 20 克OH-N+,0.2克對甲苯磺酸，升溫至16(TC ，通氬氣反應3小時，然后抽真空， 在16(TC下繼續(xù)反應3小時，反應結束后，體系降至室溫下，并用乙醇稀釋，在 乙醚中沉淀，真空抽濾，室溫下真空干燥過夜，命名為H20-N+。
5) 將H20-N+溶解在乙醇溶劑中，配制成濃度為80毫克/毫升的溶液，在室 溫下靜置6小時，得到前驅體溶液，采用浸涂機將步驟l)的陶瓷叉指金電極浸 漬于前驅體溶液中l(wèi)分鐘，提拉取出后，80。C溫度下干燥烘干1小時，得到具 有超支化結構的高分子季銨鹽電阻型濕敏元件。
由圖3可見，超支化結構化合物H20與修飾后帶有羧基的超支化化合物 H20-COOH在較高濕度環(huán)境下阻抗都很高，低于60。/。RH時，阻抗太高而難以測 定，濕敏響應特性很差，而本實用新型制備的具有超支化結構的高分子季胺鹽 電阻型濕敏元件在較寬的濕度范圍內具有很高靈敏度，特別在低于20%RH的低 濕環(huán)境下阻抗也較低，易于測定，而且在半對數(shù)坐標下具有很好的響應線性度， 體現(xiàn)出很好的濕敏響應特性；
由圖4可見，本實用新型制備的具有超支化結構的高分子季胺鹽電阻型濕 敏元件具有比較快的響應速度，吸濕和脫濕時間都比較短，分別為9.2s和9.8s;
圖5所示為具有超支化結構的高分子季胺鹽電阻型濕敏元件的濕滯曲線， 由圖所見，納米纖維復合濕敏元件濕滯較小，僅為1.4%RH。
權利要求1.具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件，其特征在于它具有陶瓷基體(1)，在陶瓷基體表面光刻和蒸發(fā)有多對叉指金電極(2)，在叉指金電極上連接有引線(4)，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂覆有高分子季銨鹽濕敏薄膜(3)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件，其特征 在于陶瓷片基體表面的叉指金電極的叉指寬度為20~200 pm，叉指間隙為 20~200 pm。
專利摘要本實用新型公開了一種具有超支化結構的高分子電阻型濕敏元件，它是以陶瓷為基片，其上有多對叉指金電極，在陶瓷基片和叉指金電極表面涂敷有高分子季銨鹽濕敏薄膜。該濕敏元件在寬的濕度范圍，特別是在較低濕度環(huán)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(wěn)定性強，在室溫下檢測等特點，可廣泛應用于工農業(yè)生產(chǎn)過程、倉儲、大氣環(huán)境監(jiān)測對于環(huán)境濕度精確測量與控制。
文檔編號G01N27/12GK201340405SQ200820167758
公開日2009年11月4日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權日2008年11月24日
發(fā)明者揚 李, 朋 李, 楊慕杰 申請人:浙江大學