[发明专利]具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件及其制作方法。

背景技术

湿度的精确测量在工农业生产和环境监测中具有重要作用，这为湿度传感器的发展提供了广阔的空间。高分子型湿度传感器是近年来发展十分迅速的一类湿度传感器，相比传统的陶瓷型湿度传感器，它具有响应特性好，测量范围宽，稳定性好，可室温检测，易于集成化，小型化批量生产，价格低廉等特点。其中高分子电阻型湿度传感器，它能与目前集成电路技术很好相容，易于集成于系统中实现湿度测量和控制，而且制备非常简便，现在已经成为湿度传感器发展的重要方向。然而，目前大部分高分子型湿敏元件的湿敏材料是以致密薄膜的形式存在，因此湿敏材料在感知外界环境湿度变化时，水分子吸附、扩散进入敏感膜内部，以及在脱湿过程中水分子的除去相对较慢，这导致元件的灵敏度、响应时间受到极大的限制。而采用静电纺丝技术，可以比较容易制备具有亚微米甚至是纳米结构的敏感纤维材料，使得湿敏材料由单层、平面致密结构向多层纤维堆砌而成的三维疏松结构发展，大大提高了湿敏材料与外界环境的接触比表面积，有利于水分子在敏感膜上的吸附、扩散及脱附，从而提高响应灵敏度、加快响应时间，减小湿滞。因此，通过静电纺丝技术制备具有高比表面积的纳米纤维高分子湿度传感器，有望成为一种制备高性能湿度传感器的新型方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件及其制作方法。

本发明的具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件，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敷有修饰膜，修饰膜表面沉积有纳米纤维结构的湿敏薄膜，所说的修饰膜为聚二烯丙基二甲基氯化铵，纳米纤维结构的湿敏薄膜为具有交联结构的聚3-氨丙基三乙氧基硅单溴代正己烷季铵盐与聚苯胺及聚氧化乙烯的复合物。

具有纳米纤维结构的高分子复合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体，烘干；

2)将步骤1)的陶瓷基体叉指金电极浸渍于质量浓度为0.1％～0.25％的聚二烯丙基二甲基氯化铵的水溶液中，提拉，晾干；

3)采用静电纺丝法将纺丝溶液纺成的纳米纤维复合膜沉积在步骤2)制得的涂敷有聚二烯丙基二甲基氯化铵修饰膜的陶瓷基体叉指金电极上，在80～110℃下热处理8～16小时，得到具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件，纺丝溶液是以下组分的混合液，各组分以重量百分数计为：3-氨丙基三乙氧基硅单溴代正己烷季铵盐为5.2～6.1％，聚氧化乙烯为5.2～6.1％，可溶性碱式聚苯胺为0.75～2.3％，及樟脑磺酸0.75～2.3％，无水乙醇为28.8～30.6％，氯仿为54.4～57.5％。

上述的陶瓷基体表面叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

本发明的优点是：

1)具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件，是采用静电纺丝的方法制备，其具有多层纤维堆砌而成的三维疏松结构，大大提高了湿敏材料的比表面积，利于水分子的吸附、扩散及脱附，使得制备的湿敏元件具有响应灵敏度高、响应速度快，湿滞小等优点；

2)在制备具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件的过程中，采用聚二烯丙基二甲基氯化铵对电极进行修饰，从而有效改善了静电纺丝制备纳米纤维与电极基体的接触，明显降低了元件电阻，解决了这一阻碍静电纺丝法制备的电阻型气湿敏元件应用的问题；

3)利用静电纺丝法制备纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件过程简单，可以方便地通过改变工艺参数(静电纺丝装置的纺丝电压、注射器针头与接受板的距离、溶液的组成、流速以及纺丝时间等)，制备具有不同直径、不同堆砌厚度的纳米纤维湿敏膜，实现对其湿敏响应特性的调控；

4)所制备的具有纳米纤维结构的高分子复合电阻型湿敏元件以具有交联结构的聚3-氨丙基三乙氧基硅单溴代正己烷季铵盐这一含硅聚电解质作为湿敏材料，在较宽的湿度范围内具有较高的响应灵敏度和较好的响应线性度；

5)所制备的纳米纤维敏感膜经热处理使3-氨丙基三乙氧基硅单溴代正己烷季铵盐自交联聚合，可以有效提高感湿膜的稳定性和耐水性；同时热处理可以消除纳米纤维敏感膜中残存的溶剂，减少其对于纳米纤维敏感膜形貌的影响，提高其稳定性；