本发明公开了一种无源高分子聚合物基湿度传感器及其制备和检测方法。包括湿敏材料层、金属电极层和引线端子,中间为湿敏材料层,由Nafion溶液固化而成,在湿敏材料层的上下表面化学镀Ag膜作为金属电极层,在金属电极层的表面采用真空镀钛膜,形成面积为2~3mm
1.一种无源高分子聚合物基湿度传感器,包括湿敏材料层(1)、金属电极层(2)和引线端子(3),其特征在于,为层状结构,中间为湿敏材料层(1),所述的湿敏材料层(1)为Nafion溶液固化而成,在湿敏材料层(1)的上下表面化学镀Ag膜作为金属电极层(2),在金属电极层(2)的表面采用真空镀钛膜,形成面积为2~3mm²的引线端子(3)。
2.制备权利要求1所述的无源高分子聚合物基湿度传感器的方法,以Nafion溶液固化制备湿敏材料层,其特征在于,湿敏材料层上下表面经过粗化、活化后,再采用化学镀Ag,反应式为:2Ag(NH₃)₂OH+C₆H₁₂O₆→2Ag↓+C₆H₁₁O₇NH₄+3NH₃+H₂O;最后采用真空蒸发镀膜法在金属电极层(2)表层镀钛膜制备引线端子(3)。
3.权利要求1所述的无源高分子聚合物基湿度传感器的检测方法,其特征在于,将湿度变化带来的电压输出通过放大电路放大,进行测量,测量关系为:xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="98"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="19"/>表示湿度,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="22"/>为湿敏传感器输出电压,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="14"/>为放大电路增益,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="18"/>为湿度-电压转换系数。技术领域
本发明属新型湿度传感器,可用于工业生产、生物、医疗、航空航天等领域。
背景技术
湿度传感器是一类重要的化学传感器,已在工业生产、过程控制、环境监测、气象、航空航天等领域有着广泛的应用,如:精密电子元件制造、航天导弹、火箭的储存。为了创造更好的对医疗环境,工业实验环境,航空航天生产环境,对湿度的检测、控制或调整必不可少。有机高分子湿敏材料以其材料来源丰富,相对湿度范围宽,湿滞回差小,响应速度快等优异性能而得到了越来越多的发展,是最具发展前途的一类湿敏材料。早期的高分子湿敏材料多是纤维素类材料,目前常用的有醋酸纤维素类,苯乙烯类,聚胺酰胺类,聚甲基丙烯酸甲脂类以及这些材料的衍生物、与其他单体的共聚物等。这些材料均是含有极性基团,即亲水基,可以与水分子相互作用形成氢键或以范德华力结合,达到吸湿目的。常见湿度传感器如Humirel公司生产的HS1101,Honeywell公司生产的HIH-3602,均需要有源监测。xa0
发明内容
本发明提出一种无源高分子聚合物基湿度传感器及其制备和检测方法,采用全氟磺酸树脂(PFSI)作为湿敏材料,具有较好应用前景。本发明的技术方案为:一种无源高分子聚合物基湿度传感器,包括湿敏材料层、金属电极层和引线端子,为层状结构,中间为湿敏材料层,所述的湿敏材料层为Nafion溶液固化而成,在湿敏材料层的上下表面化学镀Ag膜作为金属电极层,在金属电极层的表面采用真空镀钛膜,形成面积为2~3mm²的引线端子。制备所述的无源高分子聚合物基湿度传感器的方法,以Nafion溶液固化制备湿敏材料层,湿敏材料层上下表面经过粗化、活化后,再采用化学镀Ag,反应式为:2Ag(NH₃)₂OH+C₆H₁₂O₆→2Ag↓+C₆H₁₁O₇NH₄+3NH₃+H₂O;最后采用真空蒸发镀膜法在金属电极层表层镀钛膜制备引线端子。将湿度变化带来的电压输出通过放大电路放大,进行测量,测量关系为:xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="98"/>,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="19"/>表示湿度,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="22"/>为湿敏传感器输出电压,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="14"/>为放大电路增益,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="18"/>为湿度-电压转换系数。xa0 有益效果: 本发明的湿度传感器,湿敏材料高分子聚合物全氟磺酸树脂(PFSI),在潮湿环境中,会吸附水自身产生H⁺和H₃O⁺,在材料内部形成导电通道,具有密集、均匀的分子级分布形式,无需外接电源,可感湿输出电压信号,即能实现无源监测。同时输出电压随湿敏材料的含水率变化规律呈近线性,能够实现在特殊环境下高精度、高响应的湿度检测。并且本发明的湿敏材料层并且其对化学试剂具有很强的抵抗性,可用于含有有机气体、强酸性、强碱性等恶劣环境中,工作温度范围宽(-50°C~190°C),更适合于特殊环境的监测。可设计性强,且制备简单,动态响应优异,能根据需求选择不同型式,尺寸可自主设计,结构易于小型化,精度高、响应时间短,稳定性高。可满足各类狭小空间的高精度湿度检测。 xa0
附图说明
图1为本发明的结构立体示意图。其中1为湿敏材料层,2为金属电极层,3为引线端子。图2为本发明的结构俯视示意图。图3为本发明的检测方案示意图。其中4交流放大电路,5为示值仪器。图4为湿度—电压拟合特性曲线(V)。
具体实施方式
(一)xa0xa0xa0传感器制作 如图1所示,该湿度传感器由湿敏材料层1、金属电极2和引线端子3组成。所述的湿敏材料层1为全氟磺酸树脂(PFSI),在整个结构中起到感受湿度变化的作用;所述的金属电极2为采用化学镀方法制成,起到传感器的两极板的作用;所述的引线端子3为真空镀膜技术制作的钛端子,起到将极间电压变化特征传递至外部的作用。制备所述的湿度传感器的方法、步骤为:第一步,制备高湿敏材料层1:a.xa0xa0xa0xa0用Nafion溶液按照设计的厚度常规方法固化成型为湿敏材料层1。第二步,制备金属电极2:xa0xa0xa0xa0xa0电极选用金属Ag为电极材料。将表面粗化后的湿度敏感材料按下式化学镀银, 2Ag(NH ₃ ) ₂ OH+C ₆ H ₁₂ O ₆ →2Ag↓+C ₆ H ₁₁ O ₇ NH ₄ +3NH ₃ +H ₂ Oxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)第三步:真空镀引线端子3按照传感器尺寸进行剪裁。采用真空蒸发镀膜法对电极中部进行钛镀膜,形成2~3mm²的引线端子3,检查线路并装片。至此湿度传感器制作完成。 (二)xa0xa0xa0检测方案 本发明选用常用电压放大电路进行微电压的测量,从而进行湿度测量。如图3所示,U_o为制备的湿度传感器输出电压,连接常用微电压交流放大电路4将输出电压放大,并与示值仪器5相连。示值仪器可以选用示波器、记录仪、数据采集设备等。最终可将采集的电压量换算成湿度值。测量关系为:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="98"/> ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="19"/>表示湿度,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="22"/>为传感器输出电压,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="14"/>为放大电路增益,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="18"/>为湿度-电压转换系数。实施例1制备尺寸为5mm×5mm×5mm的传感器:如图1所示,该湿度传感器由湿敏材料层1、金属电极2和引线端子3组成。所述的湿敏材料层1为全氟磺酸树脂(PFSI),在整个结构中起到感受湿度变化的作用;所述的金属电极2为采用化学镀方法制成,起到传感器的两极板的作用;所述的引线端子3为真空镀膜技术制作的钛端子,起到将电压变化特征传递至外部的作用。制备所述的湿度传感器的方法、步骤为:第一步,制备高湿敏材料层1:用Nafion溶液按照设计的厚度常规方法固化成型为湿敏材料层1。原料:Nafion溶液,仲丁醇,二甲亚砜(DMSO)xa0a.xa0xa0xa0xa0根据所需湿敏材料层1的尺寸计算出Nafion溶液的用量300mL。将盛有一定量溶液的玻璃模具放入真空干燥箱中,所述的溶液为Nafionxa0DESxa0520cs,浓度为5%wt,溶质为Nafion,溶剂为仲丁醇与水1:1的混合物,控制真空干燥箱的温度为50~60°C,将溶液烘至浓度为20~50%。b.xa0xa0xa0在溶液中滴加适量的DMSO(体积比为DMSO:Nafionxa0≈xa01:20~50)配成铸膜液,搅拌10~20xa0min使溶液混合均匀,将铸膜液放入超声波清洗机中震荡约20~30xa0min,去除溶液中的气泡。再将铸膜液置于50~60°C烘箱中,直至表面干燥。c.xa0xa0xa0xa0将烘箱温度升至100°C并保持大于1h,再将温度升高至120~140°C保持大于3h,关闭烘箱,自然冷却至室温。至此湿敏材料层1制备完成。第二步,制备金属电极2:xa0a.预处理选取可溶性砂粒对湿敏材料层1打磨粗化,使表面呈磨砂状;再依次经过超声波清洗、稀盐酸、双氧水进行活化。之后采用常规的化学镀方法镀上Ag形成电极;b.电极成型xa0xa0xa0xa0电极选用金属Ag为电极材料。将预处理后的湿度敏感材料1放入0.03~0.06mol/L银氨络合物溶液中,静置约14~24h。 2Ag(NH ₃ ) ₂ OH+C ₆ H ₁₂ O ₆ →2Ag↓+C ₆ H ₁₁ O ₇ NH ₄ +3NH ₃ +H ₂ Oxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)将预处理后的离子交换膜放置于超纯水中,控制反应温度为20°C,每隔10min向反应溶液中滴加1~3mL还原剂葡萄糖滴加(5g/L),反应时间持续3~5h。还原机理为(1)至此,电极制备完成。第三步:真空镀引线端子3按照传感器尺寸进行剪裁。采用真空蒸发镀膜法对电极中部进行钛镀膜,形成2~3mm²的引线端子3,检查线路并装片。至此湿度传感器制作完成。在标准检定条件下,对湿度传感器进行测试,规格值以60%RH湿度变化为基准,25°C下实验拟合曲线如图4所示。