[發(fā)明專利]聚合物接枝碳黑復合電阻型薄膜濕敏元件及其制作方法

無效

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• 申請日: 2007-06-27
• 公開（公告）號: CN101078705A
• 公開（公告）日: 2007-11-28
• 發(fā)明（設計）人: 李揚;洪利杰;楊慕杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發(fā)明涉及一種聚合物接枝碳黑復合電阻型薄膜濕敏元件及其制作方法。

背景技術

濕度測定和控制對于環(huán)境監(jiān)測和保護，氣象預測，工農業(yè)生產，物質貯存，家居生活環(huán)境優(yōu)化等都起著十分重要的作用。而濕度傳感器是檢測濕度的最常用而且有效的工具，其研究和應用具有十分重要的意義。相比于傳統(tǒng)的陶瓷材料濕度傳感器，高分子材料濕度傳感器具有響應特性好，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，價格低廉等特點，目前已成為濕度傳感器研究發(fā)展的重要方向。其中高分子電阻型濕度傳感器由于體積小，且可與現代集成電路技術很好相容，發(fā)展迅速，是目前應用較廣的一類新型濕度傳感器。但其也存在著高濕環(huán)境下高分子敏感材料易溶解流失，導致響應變差，穩(wěn)定性不好；而低濕環(huán)境下由于電阻太高難以測定等問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種在寬的濕度范圍具有靈敏度高，線性度好，響應快的聚合物接枝碳黑復合薄膜電阻型濕敏元件及其制作方法。

本發(fā)明的聚合物碳黑復合電阻型薄膜濕敏元件，具有微晶玻璃基體，在微晶玻璃基體表面有多對叉指金電極，在叉指金電極上連接有引線，在微晶玻璃片基體和叉指金電極表面涂覆有濕敏薄膜，濕敏薄膜為聚4-乙烯基吡啶接枝的碳黑經過交聯(lián)季胺化得到的復合物。

聚合物接枝碳黑復合電阻型薄膜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)有叉指金電極的微晶玻璃基片，烘干備用；

2)在4-羥基-2，2，6，6-四甲基吡啶氮氧自由基存在下，以過氧化苯甲酰為引發(fā)劑，引發(fā)4-乙烯基吡啶本體聚合，在氬氣氣氛下于90～125℃反應15～40h，所得產物經沉淀、真空干燥，得到氮氧自由基封端的聚合物；

3)將氮氧自由基封端的聚合物溶解在N，N-二甲基甲酰胺中，加入碳黑，碳黑與聚合物的質量比為1∶6～24，在氬氣氛下于90～125℃反應2～15h，然后用乙醚沉淀，經過濾、洗滌及真空干燥，得到聚4-乙烯基吡啶接枝碳黑復合物；

4)將聚4-乙烯基吡啶接枝碳黑復合物與1，4-二溴丁烷分散于N，N-二甲替甲酰胺中，聚4-乙烯基吡啶接枝碳黑復合物中的4-乙烯基吡啶單元與1，4-二溴丁烷的摩爾比為1∶0.5～2，配制成復合物濃度為5～30毫克/毫升的溶液，在30℃下磁攪拌4～12h，得前驅體溶液；

5)采用浸涂機將步驟1)的微晶玻璃叉指金電極浸漬于前驅體溶液中0.5～5分鐘，提拉取出后，80～140℃溫度下熱處理2～12小時，制得聚合物接枝碳黑復合電阻型薄膜濕敏元件。

上述的聚合物接枝碳黑復合電阻型薄膜濕敏元件的制作方法所說的叉指金電極的叉指寬度為20～200μm，叉指間隙為20～200μm。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1)所制備的聚合物接枝碳黑復合濕敏材料，是通過在氮氧自由基存在下，進行4-乙烯基吡啶本體聚合，將氮氧自由基引入聚4-乙烯基吡啶的端基，并通過熱裂解形成自由基，被碳黑捕捉，從而將聚合物接枝到碳黑表面，而不是將兩者簡單的物理共混。因此可明顯改善復合材料中碳黑在聚合物基體中的分散性，減少碳黑粒子的團聚現象，使得制備的濕敏元件對濕度具有高的響應靈敏度和好的一致性；

2)采用聚合物接枝碳黑復合物作為濕敏膜，通過引入具有良好本征導電性的碳黑粒子，可以使得濕敏膜在低濕環(huán)境下也具有較高的導電性，從而解決通常高分子電阻型濕度傳感器因在低濕下離子遷移率低，電阻過高，難以測定，不能檢測低濕環(huán)境濕度的問題；

3)采用聚4-乙烯基吡啶與碳黑接枝，利于碳黑粒子的分散，且聚合物在季胺化后吸濕性增強，使得濕敏膜在不同濕度下體積變化增大，引起碳黑粒子間距加大，電阻變化范圍變寬，響應靈敏度提高；

4)采用交聯(lián)季胺化聚4-乙烯基吡啶與碳黑接枝復合物為濕敏膜，可方便地通過調節(jié)碳黑與聚合物的比例，改變碳黑粒子電子導電和季胺化聚4-乙烯基吡啶離子導電這兩種導電機理在不同濕度下對濕度響應的貢獻，獲得具有適當電阻值，在低濕下以碳黑粒子導電為主，高濕下離子導電為主，可測試低濕環(huán)境的濕敏元件；

5)采用聚合物接枝碳黑復合物作為濕敏膜，其中以碳黑為電子導電粒子，聚4-乙烯基吡啶為聚合物基質，并在季胺化后提供離子導電能力。通過調節(jié)碳黑與聚合物的比例，以及復合導電材料的逾滲值，改變兩種導電機理在不同濕度下對濕度響應的貢獻，獲得具有適當電阻值，在低濕下以碳黑粒子導電為主，高濕下離子導電為主的濕敏膜；