專利名稱：具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件及其制作 方法。
技術(shù)背景濕度的精確測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有重要作用，這為濕度傳感 器的發(fā)展提供了廣闊的空間。高分子型濕度傳感器是近年來(lái)發(fā)展十分迅速的一 類濕度傳感器，相比傳統(tǒng)的陶瓷型濕度傳感器，它具有響應(yīng)特性好，測(cè)量范圍 寬，穩(wěn)定性好，可室溫檢測(cè)，易于集成化，小型化批量生產(chǎn)，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。 其中高分子電阻型濕度傳感器，它能與目前集成電路技術(shù)很好相容，易于集成 于系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量和控制，而且制備非常簡(jiǎn)便，現(xiàn)在已經(jīng)成為濕度傳感器 發(fā)展的重要方向。然而，目前大部分高分子型濕敏元件的濕敏材料是以致密薄 膜的形式存在，因此濕敏材料在感知外界環(huán)境濕度變化時(shí)，水分子吸附、擴(kuò)散 進(jìn)入敏感膜內(nèi)部，以及在脫濕過(guò)程中水分子的除去相對(duì)較慢，這導(dǎo)致元件的靈 敏度、響應(yīng)時(shí)間受到極大的限制。而采用靜電紡絲技術(shù)，可以比較容易制備具 有亞微米甚至是納米結(jié)構(gòu)的敏感纖維材料，使得濕敏材料由單層、平面致密結(jié) 構(gòu)向多層纖維堆砌而成的三維疏松結(jié)構(gòu)發(fā)展，大大提高了濕敏材料與外界環(huán)境 的接觸比表面積，有利于水分子在敏感膜上的吸附、擴(kuò)散及脫附，從而提高響 應(yīng)靈敏度、加快響應(yīng)時(shí)間，減小濕滯。因此，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備具有高比 表面積的納米纖維高分子濕度傳感器，有望成為一種制備高性能濕度傳感器的 新型方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件 及其制作方法。本發(fā)明的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件，具有陶瓷基體， 在陶瓷基體表面光刻和蒸發(fā)有多對(duì)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敷有修飾膜，修飾膜表面沉積有納米纖維結(jié)構(gòu) 的濕敏薄膜，所說(shuō)的修飾膜為聚二烯丙基二甲基氯化銨，納米纖維結(jié)構(gòu)的濕敏薄膜為具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己垸季銨鹽與聚苯胺及 聚氧化乙烯的復(fù)合物。具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合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體，烘干；2) 將步驟l)的陶瓷基體叉指金電極浸漬于質(zhì)量濃度為0.1% 0.25%的聚二 烯丙基二甲基氯化銨的水溶液中，提拉，晾干；3) 采用靜電紡絲法將紡絲溶液紡成的納米纖維復(fù)合膜沉積在步驟2)制得的 涂敷有聚二烯丙基二甲基氯化銨修飾膜的陶瓷基體叉指金電極上，在80 110 T:下熱處理8 16小時(shí)，得到具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件， 紡絲溶液是以下組分的混合液，各組分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為3-氨丙基三乙氧基硅 單溴代正己垸季銨鹽為5.2 6.1%，聚氧化乙烯為5.2~6.1%，可溶性堿式聚苯胺 為0.75-2.3%，及樟腦磺酸0.75~2.3%，無(wú)水乙醇為28.8~30.6%，氯仿為 54.4 57.50/0。上述的陶瓷基體表面叉指金電極的叉指寬度為20 200 pm，叉指間隙為 20~200 )Limo 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1) 具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件，是采用靜電紡絲的方 法制備，其具有多層纖維堆砌而成的三維疏松結(jié)構(gòu)，大大提高了濕敏材料的比 表面積，利于水分子的吸附、擴(kuò)散及脫附，使得制備的濕敏元件具有響應(yīng)靈敏 度高、響應(yīng)速度快，濕滯小等優(yōu)點(diǎn)；2) 在制備具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的過(guò)程中，采用 聚二烯丙基二甲基氯化銨對(duì)電極進(jìn)行修飾，從而有效改善了靜電紡絲制備納米 纖維與電極基體的接觸，明顯降低了元件電阻，解決了這一阻礙靜電紡絲法制 備的電阻型氣濕敏元件應(yīng)用的問(wèn)題；3) 利用靜電紡絲法制備納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件過(guò)程簡(jiǎn) 單，可以方便地通過(guò)改變工藝參數(shù)(靜電紡絲裝置的紡絲電壓、注射器針頭與 接受板的距離、溶液的組成、流速以及紡絲時(shí)間等)，制備具有不同直徑、不同 堆砌厚度的納米纖維濕敏膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)其濕敏響應(yīng)特性的調(diào)控；4) 所制備的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件以具有交聯(lián)結(jié) 構(gòu)的聚3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己烷季銨鹽這一含硅聚電解質(zhì)作為濕敏材 料，在較寬的濕度范圍內(nèi)具有較高的響應(yīng)靈敏度和較好的響應(yīng)線性度；5) 所制備的納米纖維敏感膜經(jīng)熱處理使3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己烷 季銨鹽自交聯(lián)聚合，可以有效提高感濕膜的穩(wěn)定性和耐水性；同時(shí)熱處理可以 消除納米纖維敏感膜中殘存的溶劑，減少其對(duì)于納米纖維敏感膜形貌的影響，4提高其穩(wěn)定性；6) 所制備的高分子納米纖維復(fù)合濕敏材料中含有本征導(dǎo)電聚合物聚苯胺， 其具有良好的本征電子導(dǎo)電特性，可以有效降低復(fù)合濕敏元件在低濕下的阻抗， 使納米纖維復(fù)合濕敏元件在中低濕時(shí)具有良好的感濕靈敏度與響應(yīng)線性度；7) 本發(fā)明的濕敏元件具有體積小，低成本，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。叉指寬度為 20~200^im，叉指間隙為20 200pm的叉指金電極結(jié)構(gòu)，以及陶瓷基體可以改善 納米纖維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(yīng)用 于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程,倉(cāng)儲(chǔ),大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)于環(huán)境濕度精確測(cè)量與控制。


圖1是本發(fā)明的濕敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的濕敏薄膜的掃描 電鏡圖片；圖3是涂敷修飾膜前后,具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件 的濕敏響應(yīng)特性曲線(半對(duì)數(shù)坐標(biāo))；圖4是采用傳統(tǒng)的浸涂方法與靜電紡絲方法制備的高分子復(fù)合電阻型濕敏 元件的濕敏響應(yīng)特性曲線(半對(duì)數(shù)坐標(biāo))；圖5是具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間曲線；圖6是具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的濕滯曲線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件，具有 陶瓷基體l，在陶瓷基體表面光刻和蒸發(fā)有多對(duì)叉指金電極2，在叉指金電極上 連接有引線5，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂敷有聚二烯丙基二甲基氯化銨修 飾膜3，在修飾膜表面沉積有納米纖維復(fù)合濕敏薄膜4，濕敏薄膜為具有交聯(lián)結(jié) 構(gòu)的聚3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己烷季銨鹽與聚苯胺及聚氧化乙烯的復(fù)合 物。上述陶瓷基體表面叉指金電極的叉指寬度為20~200 pm，叉指間隙為 20~200 ,0 實(shí)施例1:1) 將光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基體用無(wú)水乙醇和丙酮浸泡、超聲清 洗，烘干備用；2) 用浸涂機(jī)將陶瓷基體叉指金電極浸漬于質(zhì)量濃度為0.25%的聚二烯丙基二甲基氯化銨的水溶液中，提拉，取出，晾干；3)采用靜電紡絲法將紡絲溶液紡成的納米纖維復(fù)合膜沉積在在涂敷有修飾 膜的陶瓷叉指金電極上，然后，在8(TC下熱處理16小時(shí)，得到具有納米纖維結(jié) 構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件。靜電紡絲的紡絲液各組分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為 3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己垸季銨鹽為5.2%，聚氧化乙烯為5.2%，可溶性 堿式聚苯胺為0.75%，及樟腦磺酸0.75%，無(wú)水乙醇為30.6%，氯仿為57.5%。 靜電紡絲條件為紡絲時(shí)間20分鐘，靜電紡絲電壓IO千伏，注射器針頭與接 受板的距離10厘米，紡絲溶液流速0.1毫升/小時(shí)，紡絲溫度20 35°C，環(huán)境 濕度25~45%RH。 實(shí)施例2:1) 將光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基體用無(wú)水乙醇和丙酮浸泡、超聲清洗，烘干備用；2) 用浸涂機(jī)將陶瓷叉指金電極浸漬于質(zhì)量濃度為0.1%的聚二烯丙基二甲基 氯化銨的水溶液中，提拉，取出，晾干；3) 采用靜電紡絲法將紡絲溶液紡成的納米纖維復(fù)合膜沉積在在涂敷有修飾 膜的陶瓷叉指金電極上，然后，在IOO'C下熱處理12小時(shí)，得到具有納米纖維 結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件。靜電紡絲的紡絲液各組分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì) 為3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己烷季銨鹽為6.1%，聚氧化乙烯為6.1%，可 溶性堿式聚苯胺為2.3%，及樟腦磺酸2.3%，無(wú)水乙醇為28.8%，氯仿為54.4%。 靜電紡絲條件為紡絲時(shí)間30分鐘，靜電紡絲電壓IO千伏，注射器針頭與接 受板的距離10厘米，紡絲溶液流速0.2毫升/小時(shí)，紡絲溫度20~35°C，環(huán)境 濕度25~45%RH。實(shí)施例3:1) 將光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基體用無(wú)水乙醇和丙酮浸泡、超聲清洗，烘干備用；2) 用浸涂機(jī)將陶瓷叉指金電極浸漬于質(zhì)量濃度為0.2%的聚二烯丙基二甲基 氯化銨的水溶液中，提拉，取出，晾干；3) 采用靜電紡絲法將紡絲溶液紡成的納米纖維復(fù)合膜沉積在在涂敷有修飾 膜的陶瓷叉指金電極上，然后，在90。C下熱處理14小時(shí)，得到具有納米纖維結(jié) 構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件。靜電紡絲的紡絲液各組分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為 3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己垸季銨鹽為5.6%，聚氧化乙烯為5.6%，可溶性 堿式聚苯胺為1.5%,及樟腦磺酸1.5%，無(wú)水乙醇為29.6%，氯仿為56.2%。靜電紡絲條件為紡絲時(shí)間40分鐘，靜電紡絲電壓15千伏，注射器針頭與接受 板的距離15厘米，紡絲溶液流速0.1毫升/小時(shí)，紡絲溫度20~35°C，環(huán)境濕 度25~45%RH0本發(fā)明方法制得的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的濕敏 薄膜掃描電鏡圖片見(jiàn)圖2，由圖可見(jiàn)，制備的濕敏薄膜由納米纖維堆積而成，纖 維的直徑在300納米左右；由圖3可見(jiàn)，用聚二烯丙基二甲基氯化銨修飾電極之后，制備的納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件在較寬的濕度范圍內(nèi)，具有很高靈敏度，且 在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下具有很好的響應(yīng)線性度；由圖4可見(jiàn)，與傳統(tǒng)的浸涂成膜的方法相比，用靜電紡絲方法制備的納米 纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件，靈敏度、線性度等濕敏特性都得到了 明顯的改善；圖5所示為具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間曲 線，由圖所見(jiàn)，納米纖維復(fù)合濕敏元件具有比較快的響應(yīng)速度，吸濕和脫濕時(shí) 間都比較短； -圖6所示為具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的濕滯曲線， 由圖所見(jiàn)，納米纖維復(fù)合濕敏元件濕滯較小，響應(yīng)具有很好的回復(fù)性。
權(quán)利要求
1.一種具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件，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(duì)叉指金電極(2)，在叉指金電極上連接有引線(5)，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂敷有修飾膜(3)，修飾膜表面沉積有納米纖維結(jié)構(gòu)的濕敏薄膜(4)，所說(shuō)的修飾膜(3)為聚二烯丙基二甲基氯化銨，納米纖維結(jié)構(gòu)的濕敏薄膜(4)為具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己烷季銨鹽與聚苯胺及聚氧化乙烯的復(fù)合物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件， 其特征在于陶瓷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 fim。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件的制作方法，其特征在于包括以下步驟1) 清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基體，烘干；2) 將步驟l)的陶瓷基體叉指金電極浸漬于質(zhì)量濃度為0.1% 0.25%的聚二 烯丙基二甲基氯化銨的水溶液中，提拉，晾干；3) 采用靜電紡絲法將紡絲溶液紡成的納米纖維復(fù)合膜沉積在步驟2)制得的 涂敷有聚二烯丙基二甲基氯化銨修飾膜的陶瓷基體叉指金電極上，在80 110 。C下熱處理8 16小時(shí)，得到具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件， 紡絲溶液是以下組分的混合液，各組分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為3-氨丙基三乙氧基硅 單溴代正己烷季銨鹽為5.2 6.1%，聚氧化乙烯為5.2 6.1%，可溶性堿式聚苯胺 為0.75~2.3%，及樟腦磺酸0.75~2.3%，無(wú)水乙醇為28.8~30.6%，氯仿為 54.4~57.5%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件 的制作方法，其特征在于靜電紡絲條件為紡絲時(shí)間20 80分鐘，靜電紡絲電 壓10 25千伏，注射器針頭與接受板的距離5 20厘米，紡絲溶液流速0.1 0.2毫升/小時(shí)，紡絲溫度20~35°C，環(huán)境濕度25~45%RH。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子復(fù)合電阻型濕敏元件及其制作方法。它是以陶瓷為基體，其上有多對(duì)叉指金電極，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂敷聚二烯丙基二甲基氯化銨修飾膜，在修飾膜上沉積具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚3-氨丙基三乙氧基硅單溴代正己烷季銨鹽與聚苯胺及聚氧化乙烯復(fù)合納米纖維濕敏膜，該濕敏膜借助修飾膜與電極基底具有良好接觸。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低。所制備的高分子復(fù)合濕敏元件在寬的濕度范圍內(nèi)具有阻抗值適中，靈敏度高，線性度好，響應(yīng)快，回復(fù)性佳，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、倉(cāng)儲(chǔ)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)于環(huán)境濕度精確測(cè)量與控制。
文檔編號(hào)H01L49/00GK101324539SQ200810063200
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者揚(yáng) 李, 朋 李, 楊慕杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)