[发明专利]一种湿敏复合膜、其制备方法以及湿度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及敏感材料领域，具体涉及一种湿敏复合膜、其制备方法以及湿度传感器。

背景技术

化学敏感材料的研究和应用是当今社会科技发展的重要领域，它对于现代化工农业生产以及人们生存环境的检测和调控等起着十分重要的作用。

湿度是表示空气中水蒸汽含量的物理量，相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压(P_W)和同温度下饱和水蒸气的分压(P_N)的百分比，即

通常，用符号%RH表示相对湿度（Relative Humidity）。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气的气压即使相同，其相对湿度也会发生变化。一般而言，空气湿度多用相对湿度指标(参见陈艾主编的《敏感材料与传感器》129-130页，化学工业出版社)。

湿度传感器作为一类重要的化学传感器，多采用湿度敏感膜制得，也日益受到关注和重视，目前其发展十分迅速。在诸多的湿度材料中，高分子敏感材料研究非常活跃，多种高分子湿度传感器已实现了商品化。但是其也存在着响应灵敏度较低、响应时间较慢，湿滞较大、响应重现性欠佳、低湿下阻抗过高导致无法测量（即超出常规仪器的测试量程）等不足，阻碍了其研究和广泛应用。

纳米结构材料具有较常规本体材料大得多的比表面积，这一方面可以提供更多的反应活性位点，有助于提高响应的灵敏度，同时也可有利于检测水分子的扩散，从而加快响应和改善可逆性。

传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比(参见王化祥、张淑英编著的《传感器原理及应用》7页，天津大学出版社)。阻抗型湿度传感器是利用湿敏元件的阻抗值随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，阻抗型湿度传感器在低湿(≤30%RH)条件下，往往具有非常高的阻抗，尤其是在低于10%RH时，其阻抗(通常为几百个至几千兆欧，甚至更高)往往远远超出常规检测电路（设备）的量程(通常为几十个兆欧)，常规检测电路（设备）无法测定阻抗型湿度传感器的输出量（阻抗）。在输入变化量范围一定的情况下(≤30%RH)，可以采用阻抗变化率来表征阻抗型湿度传感器的灵敏度，对于阻抗型湿度传感器，其输出变化量就是阻抗值的变化量R₁-R₀（其中，R₁为变化后阻抗值，R₀为初始阻抗值），其灵敏度S即阻抗变化率为输出变化量与输出起始量的比值，即，在无法测定阻抗型湿度传感器阻抗的情况下，更无法测定其阻抗变化率和灵敏度。

湿度传感器的响应时间是指当环境湿度改变时，湿度传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡（感湿特征量达到平衡值，对于阻抗型湿度传感器，其感湿特征量就是阻抗值）过程所需要的时间。感湿特征量的变化滞后于环境湿度的变化，这种现象称为滞后现象。实际多采用63.2%或90%响应时间，即感湿特征量的改变量达到总改变量的63.2%或90%所需要的时间（参见陈艾主编的《敏感材料与传感器》166-167页，化学工业出版社）。本发明所采用的响应时间标准均为90%响应时间。

对于现有的阻抗型湿度传感器而言，随湿度降低，其阻抗升高，在低湿(≤30%RH)条件下，阻抗型湿度传感器往往具有非常高的阻抗，其阻抗（通常为几百个兆欧甚至更高）往往远远超出常规检测电路（设备）的量程（通常为几十个兆欧），常规检测电路（设备）无法测定阻抗型湿度传感器的输出量（阻抗），更无法测定其变化率、灵敏度，因此现有的阻抗型湿度传感器难以应用于低湿环境(≤30%RH)的灵敏检测。尤其是10%RH以下的环境中，阻抗型湿度传感器因阻抗过高，其对湿度响应往往无法检测。对于日常生活生产，往往需要精确检测低湿环境的湿度，尤其是用电设备的安全使用及保护。例如电力系统的变电设施（例如变电箱）的绝缘介质往往为绝缘气体（例如六氟化硫），绝缘气体中水分的含量对其在高压下的绝缘性能起到十分关键的作用，需要控制其水分含量在很低的水平，因为当水分含量增加时，其绝缘性降低，易被击穿，导致用电危险。目前变电设施的绝缘气体大多采用六氟化硫，其本身能与水发生反应产生氢氟酸等有害气体，更加需要严格控制变电箱内六氟化硫的湿度。而对低湿环境(≤30%RH)的准确检测困难繁琐，所需的露点仪等设备测定周期长(一般要一周以上)，设备价格昂贵(一般要10万元以上)。因此急需一种具有在低湿环境(1%-30%RH)下能表现出较低的阻抗（几十个兆欧以下），便于常规检测电路（设备）检测，响应灵敏度高（阻抗变化率高），能够对低湿环境进行准确检测，稳定性和耐水性好等优点，并可以实现对湿度的实时检测的传感器，而传感器的核心是敏感材料。