專利名稱：濕度敏感元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量濕度或露點的濕度敏感元件及其制作方法。
通常，大氣濕度被看作影響空氣質(zhì)量的很重要的因素。在許多領(lǐng)域需要測量和控制絕對濕度，例如室內(nèi)的濕度控制，諸如碳化和回火等熱處理中的濕度控制、高爐通風(fēng)的濕度調(diào)解以及倉庫、商店和實驗室的封閉容器的濕度測量和調(diào)節(jié)。最近，半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠的濕度控制已變得很重要，在農(nóng)作物的成長控制中也越來越需要這種技術(shù)。另一方面，由于與生活更相關(guān)的目的，例如除天氣預(yù)報外的洗衣預(yù)報，也越來越需要進行天氣情況的露點測量。為了滿足這些需要，通常使用幾種絕對濕度測量方法。
作為一種絕對濕度測量方法，利用氯化鋰(LiCl)—潮解性的氯化鋰露點儀測量露點溫度，這種氯化鋰露點儀是通過氯化鋰的電導(dǎo)率隨著吸收水分而變化，以及氯化鋰水溶液的蒸氣壓力隨著溫度變化而變化進行測量的。這種儀器的濕度敏感元件是這樣制成的，即用氯化鋰水溶液浸漬玻璃纖維條，并把兩個平行的細金屬導(dǎo)線作為電極螺旋盤繞在浸漬后的纖維條上。當(dāng)把交流(AC)電壓加在兩個電極上時，在兩極之間產(chǎn)生電流，提高溶液溫度。同時，水溶液中的水分蒸發(fā)使溶液飽和，從而開始析出氯化鋰晶體。當(dāng)晶體開始析出時，水溶液的電阻極劇加大，電流減小，這樣阻止溫度上升。因此，保持與周圍水蒸氣壓力相應(yīng)的溫度。如果周圍水蒸氣壓力下降，則由于水溶液中的水分蒸發(fā)，析出晶體，溫度會進一步下降。另一方面，如果周圍水蒸氣壓力上升，吸收水分以致破壞飽和狀態(tài)，電流增大，同時溫度上升。按照這種方式，使氯化鋰飽和水溶液的溫度得以被保持，以使與周圍水蒸氣壓力平衡。如果知道這個平衡溫度，則可以計算露點溫度。
然而，如果這種氯化鋰露點儀的濕度敏感元件在特別高的溫度及高濕度的空氣中放置很長時間，氯化鋰很快被洗脫，會嚴(yán)重損害儀器性能。因此需要進行維護和處理，同時周期性地補充氯化鋰。
如上所述，如果傳統(tǒng)氯化鋰露點儀的這種元件長時間放置在高溫度高濕度的空氣中，則會產(chǎn)生如下結(jié)果。也就是具有強潮解性的氯化鋰吸收空氣中的水蒸氣并溶解在吸收的水蒸氣中，形成水溶液。通常，通以電流來升高溶液溫度以便蒸發(fā)水分。然而，如果大氣的溫度和濕度太高，則這種水分蒸發(fā)不能令人滿意，從而氯化鋰水溶液的濃度下降。因此，氯化鋰水溶液的流動性過分增大，并且流出包含溶液的玻璃纖維條。一旦氯化鋰水溶液流出，濕度敏感元件中所用的氯化鋰量減少，這將增大相同水分值的電阻，因此，不再能進行精確的濕度測量。
因此，通常必須這樣進行維護和處理即通過比如周期性地補充氯化鋰，使氯化鋰保持預(yù)定的濃度。這種處理是很麻煩的。
本發(fā)明就是要解決上述傳統(tǒng)問題，其目的在于使?jié)穸让舾性荛L時間穩(wěn)定工作。
為達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的濕度敏感元件包括功能膜，該膜與設(shè)置在基底上的一對電極相接；和用于測量功能膜的溫度的溫度測量裝置，其中所述功能膜具有多孔狀結(jié)構(gòu)，由親水性并包括許多精細微孔的第一聚合物材料制成，還包括儲存膜，所述儲存膜形成在各微孔的內(nèi)壁，由疏水性的第二聚合物材料制成，電解鹽儲存在所述微孔中。
由此，電解鹽被限制在多個微孔中，微孔中有親水基。同時，水分可以自由進入并留在電解鹽存在的地方。
另外，本發(fā)明的制作濕度敏感元件的方法是一種制作包括以與設(shè)置在基底上的一對電極相接觸的方式制成的功能膜，和用于測量功能膜溫度的溫度測量裝置的濕度敏感元件的方法，其中所述功能膜是按如下方式形成的。也就是，把親水性的第一聚合物材料溶解在具有極性并能夠溶解第一聚合物材料的第一溶劑中，形成基本溶液。在基本溶液中擴散疏水性的有機材料形成乳液，所述有機材料不溶解于第一溶劑中。以小液滴形式在乳液中擴散的有機材料聚合形成懸浮物，第二聚合物材料的顆粒在基本溶液中擴散。所述第二聚合物材料是由有機材料聚合獲得的，并具有疏水性。通過在所述基底的預(yù)定區(qū)域涂敷所述懸浮液形成涂膜。部分去除涂膜中的水分以便把一些顆粒置于所述涂膜的表面。把所述涂膜浸入第二溶劑中溶解所述第二聚合物材料，所述第二溶劑不溶解第一聚合物材料而溶解第二聚合物材料。通過使涂膜呈具有大量孔的多孔結(jié)構(gòu)，在由第二聚合材料制成的膜所形成的內(nèi)壁上形成多孔膜。把多孔膜浸在電解鹽的水溶液中，以便用電解鹽的水溶液浸漬多孔膜，從而把電解鹽儲載在構(gòu)成多孔膜的微孔中。
這樣，由第一聚合物材料制成的膜具有多孔結(jié)構(gòu)，而且電解鹽儲存在多孔結(jié)構(gòu)的許多孔中。


圖1是表示本發(fā)明一個實施方案的濕度敏感元件的局部結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2是表示本發(fā)明一個實施方案的濕度敏感元件的部分結(jié)構(gòu)平面圖；圖3是表示功能膜部分結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4是表示制作功能膜方法的工藝流程圖；圖5A至5C是說明功能膜制作方法的示意圖。
下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明的一個實施方案。
圖1和圖2示出根據(jù)本發(fā)明的濕度敏感元件的結(jié)構(gòu)。
在該濕度敏感元件中，一對梳狀電極102形成在鋁基底101上表面的中央部分。使功能膜103形成為基本上覆蓋一對電極。該功能膜103用作為電解鹽的氯化鋁水溶液浸漬。將加熱器104和溫度傳感器105埋沒在基底101的中央，溫度傳感器105用于測量基底溫度。這些加熱器104及溫度傳感器105設(shè)置在一對電極102的下面。連接端子107a和107b形成在位于基底101上的一對電極102的端部。而且，端子108a和108b以及109a和109b形成在基底101上，端子108a和108b用于給加熱器104提供電源，端子109a和109b連接溫度傳感器105。鉛絲111a、111b、112a、112b、113a和113b通過導(dǎo)電粘接劑或焊劑與這些端子相連。這些鉛絲與電源和計算機(都未示出)相連。
應(yīng)予說明的是基底101的材料也可以是陶瓷。
作為基底101，可以使用例如6×50毫米、2毫米厚的鋁基底。在圖2中，為了說明方便，以放大比例表示較窄的部分。一對電極102是采用公知的印刷線路技術(shù)形成的，寬度為0.15毫米，而且齒之間的距離d為大約0.10毫米。
所述溫度傳感器105的特征為25Ω±20％(23℃時)和T.C.R.4，440ppm/℃(23至800℃)，所述加熱器的參數(shù)為DC12V和500±50℃。
下面詳細介紹功能膜103。如圖3所示，本實施方案的功能膜103是由親水性的聚合物材料例如聚乙烯醇制成的多孔膜301。而且，由疏水性的聚合物材料例如聚乙酸乙烯酯制成的膜(儲存膜)303形成在大量孔302的內(nèi)壁上，孔302形成在膜301上。也可以將該膜303考慮為親水性和疏水性聚合物材料的混合物。通過使用膜303可以增加膜301的強度。
當(dāng)用具有預(yù)定濃度的氯化鋰水溶液浸漬親水性聚合物材料的所述多孔膜301時，氯化鋰被儲存在孔302中形成功能膜103。
如上所述，在功能膜103中，在親水性聚合物材料膜上以多孔方式形成大量精細孔。因此，可將水溶液儲存在這些精細孔中，而不從這孔中流出。此外，在所述孔的內(nèi)壁上形成疏水性聚合物材料膜。這樣可以防止親水性聚合物材料被洗脫，盡管水溶液儲存在這些孔中。
因此，氯化鋰水溶液儲存在功能膜103的多孔結(jié)構(gòu)孔中，而不從這些孔中流出；所述功能膜103用這種氯化鋰水溶液浸漬過。
在實際使用中，在功能膜103的多孔結(jié)構(gòu)孔中儲存的氯化鋰水溶液是按如下狀態(tài)被使用，即其中的水分減少到析出氯化鋰的程度。如果使該功能膜103長時間置于高溫度、高濕度大氣中，氯化鋰吸收功能膜103的多孔結(jié)構(gòu)孔中的水分。因此，儲存在這些孔中的水溶液的濃度下降，而且這樣降低了粘滯度。即使儲存的氯化鋰水溶液濃度下降，由于如上所述，功能膜103的基礎(chǔ)由親水性聚合物材料制成，而在所述膜的表面上存在親水基，所以氯化鋰水溶液也能儲存住。
構(gòu)成功能膜103的多孔結(jié)構(gòu)的孔的尺寸可以大致為0.01至1微米。如果孔的尺寸小于這些值，則形成松散結(jié)構(gòu)，實際上不能形成多孔，也不再能夠用水溶液浸漬由親水性聚合物材料制成的膜。另一方面，如果孔的尺寸太大，也不再能夠制成親水性聚合物材料膜。
再有，如果功能膜103的膜厚度太小，在保持多孔結(jié)構(gòu)的同時不能獲得穩(wěn)定膜。如果膜的厚度太大，水蒸氣或水分不容易浸透整個膜。這樣降低濕度敏感元件的響應(yīng)速度，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。因此，功能膜103的理想厚度為0.1至20微米。
下面描述制作功能膜103的方法。
分別以聚乙烯醇和聚乙酸乙烯酯作為親水性聚合物材料和疏水性聚合物材料的例子描述本方法。
如圖4的流程圖所示，在步驟400中，把乙酸乙烯酯混入聚乙烯醇的水溶液中，制備乳液。
在步驟401中，攪拌所述混合溶液的同時使乙酸乙烯酯聚合。在聚合過程中也可以加入阻止共聚合的抑制劑，使聚乙烯醇和乙酸乙烯酯不發(fā)生共聚合。
在步驟402中，用聚乙烯醇水溶液(懸浮液)在預(yù)定基底的預(yù)定區(qū)域涂膜，在所述水溶液中乙酸乙烯酯聚合形成聚乙酸乙烯酯。在50℃左右加熱把所述涂膜干燥到一定程度。如圖2所示，預(yù)定的電極導(dǎo)線形成在該基底上。
在步驟403中，把涂膜浸入溶劑如丙酮中，使涂膜中的聚乙酸乙烯酯洗脫到一定程度(洗脫比例為55至75％)，從而形成多孔的聚乙烯醇薄膜。
同時，在步驟404中，把氯化鋰溶解于水，制備具有預(yù)定濃度的氯化鋰水溶液。
在步驟405中，把步驟403中處理的涂膜浸入在步驟404中制備的氯化鋰水溶液中。以此，用氯化鋰水溶液浸漬涂膜(多孔PVA薄膜)，在該薄膜上形成有大量孔。
作為上述處理過程的結(jié)果，在基底上形成多孔聚合物膜(功能膜)，該膜中氯化鋰儲存在聚乙烯醇中，形成有大量孔，這樣制成采用氯化鋰的濕度敏感元件(步驟406)。
下面詳細描述聚乙烯醇膜多孔結(jié)構(gòu)的形成。
首先，把乙酸乙烯酯加入聚乙烯醇的水溶液中，充分?jǐn)嚢杷玫幕旌衔锸挂宜嵋蚁U散，從而制備乳液。在制備過程中也可以加入預(yù)定的乳化劑?；蛘叻粗ㄟ^紫外光波照射使乙酸乙烯酯擴散。希望通過使用紫外光波可減小乙酸乙烯酯液滴的大小。
向乳液中加入聚合反應(yīng)引發(fā)劑，把所得物質(zhì)加熱到預(yù)定溫度使乙酸乙烯酯聚合。結(jié)果產(chǎn)生懸浮液，聚乙酸乙烯酯的微小顆粒擴散到聚乙烯醇的水溶液中。
如圖5A所示，用這種懸浮液涂在預(yù)定基底501的表面。由此，聚乙酸乙烯酯的微小顆粒503擴散到基底501上的聚乙烯醇膜502中。
當(dāng)把該涂膜干燥到一定程度，以便減少聚乙烯醇膜502的體積時，如圖5B所示，一些聚乙酸乙烯酯的微小顆粒503暴露于聚乙烯醇膜的表面。
把這種狀態(tài)的膜與基底501一起浸入丙酮內(nèi)，保持一段預(yù)定時間。由于只有聚乙酸乙烯酯洗脫到丙酮中，顆粒503變空。也就是如同5C所示，在基底501上的聚乙烯醇膜502上形成多孔狀態(tài)(多孔結(jié)構(gòu))，其中，由聚乙酸乙烯酯形成的儲存膜503a形成于微孔504的內(nèi)壁上。
混合到聚乙烯醇水溶液中的乙酸乙烯酯的量大約是聚乙烯醇∶乙酸乙烯酯＝1∶10至3∶10(重量比例)。如果乙烯醇成分的量太少，則不能形成膜層。如果乙酸乙烯酯成分的量小于上述組分比例，就不能獲得所要的多孔結(jié)構(gòu)。也就是，如果乙酸乙烯酯的成分比例增加，則所能形成的孔的尺寸增大，從而使得不能形成膜層。另一方面，如果使乙酸乙烯酯的成分比例減小，則所能形成的孔的尺寸減小。如果再進一步減小乙酸乙烯酯成分的比例，將要形成的孔的數(shù)目也下降。因此，不能獲得多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)乙酸乙烯酯的混合比例大約為聚乙烯醇∶乙醇乙烯酯＝1∶10至3∶10(重量比例)時，所能形成的多孔結(jié)構(gòu)的每個孔的大小約為0.01至1微米。
再有，如果浸入丙酮中洗脫聚乙酸乙烯酯的時間過長，則聚乙酸乙烯酯會完全被洗脫。也就是，如果聚乙酸乙烯酯過度洗脫，則在多孔聚乙烯醇膜502的多個孔的內(nèi)壁上幾乎不形成聚乙酸乙烯酯儲存膜，所以也不能獲得防水性。另一方面，如果洗脫量太少，在聚乙酸乙烯酯顆粒中不能形成足夠的孔，以致不能獲得多孔結(jié)構(gòu)。因此有如上述，聚乙酸乙烯酯的洗脫量最好大約以55至75％為洗脫比例。多孔結(jié)構(gòu)形成以后的混合比例最好為聚乙烯醇∶聚乙酸乙烯酯＝6∶5至6∶27。
然而，當(dāng)聚乙烯醇多孔膜的強度例如防水能力可以或多或少犧牲一些時，作為洗脫比，聚乙酸乙烯酯的洗脫量也可以超過75％。
在上面的實施例中，把聚乙烯醇用作親水性聚合物材料。然而，也可以使用天然聚合物，例如凝膠、黃蓍膠、淀粉、甲基纖維素、CMC(羧甲基纖維素)、或者天然聚合物與合成聚合物的衍生物，例如PVA、不完全皂化PVA，另一種乙烯醇共聚物，或者聚丙烯酸酯。
疏水性聚合物材料也不限于聚乙酸乙烯酯(乙酸乙烯酯)。例如也可以使用聚苯乙烯(苯乙烯)、多氯乙烯(二氯乙烯)、或者聚乙烯苯(二乙烯基苯)。
另外，電解鹽并不限于氯化鋰，也可以使用某些其他鹽類，例如氯化鈣。然而，氯化鋰是吸水性最強的無機化合物之一，而且氯化鋰水溶液的蒸氣壓力比其他鹽例如氯化鈣相對地低些。而且，水溶液的凝固點也低。此外，氯化鋰還有一個優(yōu)點，就是非常容易處理。
如上所述，本發(fā)明的濕度敏感元件是這樣一種濕度敏感元件，它包括與形成在基底的一對電極相連的功能膜；和用于測量功能膜溫度的溫度測量裝置，其中所述功能膜由親水性的第一聚合物材料形成多孔結(jié)構(gòu)，包括大量的微孔。本濕度敏感元件還包含形成于所述孔的內(nèi)壁的儲存膜，該儲存膜由疏水性的第二聚合物材料形成，電解鹽儲存在于所述孔中。
因此，使電解鹽被限制在大量的微孔中，所述微孔中存在親水基。同時，水分可以自由進入并留在有電解鹽存在的部分。也就是，即使當(dāng)電解鹽吸收水分形成水溶液時，也可以防止該水溶液從功能膜中流出。因此，本發(fā)明的濕度敏感元件可以在很長時間內(nèi)穩(wěn)定工作。
另外，在根據(jù)本發(fā)明制作濕度敏感元件的方法中，功能膜是按如下方式形成的。也就是通過把具有親水特性的第一聚合物材料溶解在具有極性并能溶解第一聚合物材料的第一溶劑中形成基本溶液，在基本溶液中擴散疏水性有機材料，形成乳液，所述疏水性有機材料不溶解在第一溶劑中。以液滴形式在乳液中擴散的所述有機材料聚合形成懸浮液，在所述懸浮液中，第二聚合物材料的顆粒在基本溶液中擴散，所述第二聚合物材料是由有機材料共聚獲得的，并具有疏水特性。用所述懸浮液在所述基底的預(yù)定區(qū)域涂膜形成膜層。膜層中的水分被部分除去，以便把一些顆粒暴露在于膜層的表面。把涂膜浸入第二溶劑中，使第二聚合物材料溶解，所述第二溶劑不溶解第一聚合物材料而溶解第二聚合物材料，以此，通過使涂膜呈現(xiàn)在由第二聚合物材料制成的膜形成的內(nèi)壁上具有大量的孔的多孔結(jié)構(gòu)形成多孔膜。把所述多孔膜浸入電解鹽水溶液中，用所述電解鹽的水溶液浸漬所述多孔膜，從而把電解鹽儲存在構(gòu)成多孔膜的孔中。
也就是，使用第一聚合物材料制成的膜層具有多孔結(jié)構(gòu)，并使所述電解鹽儲存在所述多孔結(jié)構(gòu)的多個孔中。由于第一聚合物是親水性的，所以，即使當(dāng)電解鹽吸收水分形成水溶液時，該溶液也能被保持住。由此，防止電解鹽從功能膜中流出。以此，本發(fā)明的濕度敏感元件可以長時間穩(wěn)定工作。
權(quán)利要求
1.一種濕度敏感元件，包括與設(shè)置在基底(101)上的一對電極(102)相接觸的方式制成的功能膜(103)；和用于測量所述功能膜(103)溫度的溫度測量裝置(105)，其特征在于所述功能膜(103)具有多孔結(jié)構(gòu)，由具有親水特性的第一聚合物材料制成，并包括大量的微孔(302)；還包括儲存膜(303)，它形成于所述微孔(302)的內(nèi)壁上，由具有疏水特性的第二聚合材料制成；電解鹽儲存在所述孔(302)中。
2.如權(quán)利要求1所述的濕度敏感元件，其中構(gòu)成所述多孔結(jié)構(gòu)的所述微孔(302)的平均孔大小為0.01至3微米。
3.如權(quán)利要求1所述的濕度敏感元件，其中所述功能膜(103)的膜厚為0.1至20微米。
4.如權(quán)利要求1所述的濕度敏感元件，其中所述第一聚合物材料與所述第二聚合物材料的成分重量比為6∶5至6∶27。
5.如權(quán)利要求1所述的濕度敏感元件，其中所述的第一聚合物材料為聚乙烯醇。
6.如權(quán)利要求1所述的濕度敏感元件，其中所述的第二聚合物材料為聚乙酸乙烯酯。
7.一種制造濕度敏感元件的方法，所述濕度敏感元件包括以與設(shè)在基底(101)上的一對電極(102)接觸的方式形成的功能膜(103)；和用于測量所述功能膜(103)溫度的溫度測量裝置(105)，其特征在于通過下述步驟形成所述功能膜第一步，把親水性的第一聚合物材料溶解于具有極性并能溶解所述第一聚合物材料的第一溶劑中，形成基本溶液(步驟400)；第二步，在所述基本溶液中擴散疏水性的有機材料形成乳液，所述有機材料不溶于所述第一溶劑(步驟400)；第三步，以液滴形式擴散在所述乳液中的所述有機材料聚合，形成懸浮液，在所述懸浮液中第二聚合物材料的顆粒擴散于所述基本溶液中，所述第二聚合物材料是由所述有機材料聚合得到的，并具有疏水性(步驟401)；第四步，用所述懸浮液在所述基底的預(yù)定區(qū)域涂敷形成涂膜(步驟402)；第五步，部分去除所述涂膜中的水分，使一些顆粒暴露于所述涂膜的表面(步驟402)；第六步把所述涂膜浸在第二溶劑中，溶解所述第二聚合物材料，所述第二溶劑不溶解所述第一聚合物材料而溶解所述第二聚合物材料，從而通過使所述涂膜成為在由所述第二聚合物材料制成的膜形成的內(nèi)壁上具有大量微孔的多孔結(jié)構(gòu)形成多孔膜(步驟403)；第七步，把所述多孔膜浸入到電解鹽的水溶液中，用所述電解鹽水溶液浸漬所述多孔膜，從而在構(gòu)成所述多孔膜的所述微孔中儲存所述電解鹽(步驟404、405、406)。
8.如權(quán)利要求7所述的制作濕度敏感元件的方法，其中在第二步，作為成分重量比例，所述乳液中的所述第一聚合物材料與所述有機材料的成分比例為1∶10至3∶10。
9.如權(quán)利要求7所述的制作濕度敏感元件的方法，其中所述第一溶劑是水。
10.如權(quán)利要求7所述的制作濕度敏感元件的方法，其中所述第一聚合物材料為聚乙烯醇。
11.如權(quán)利要求7所述的制作濕度敏感元件的方法，其中所述的有機材料是乙酸乙烯酯。
12.如權(quán)利要求7所述的制作濕度敏感元件的方法，在第三步中，通過加入抑制劑，使所述有材料聚合，該抑制劑阻止所述第一聚合物材料與所述有機材料共聚。
全文摘要
如圖所示,親水性聚合物材料如聚乙烯醇形成多孔膜(301)。由疏水性聚合物材料如聚乙酸乙烯酯制成的膜(儲存膜)(303)形成在大量孔(302)的內(nèi)壁上,孔(302)形成在多孔膜(301)上。氯化鋰(304)保存在這些孔(302)中。
文檔編號G01N27/12GK1201145SQ98115259
公開日1998年12月9日 申請日期1998年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月2日
發(fā)明者酒井義郎, 松口正信, 原宗之, 鈴木幸子, 本田宣昭 申請人:山武·霍尼韋爾公司