[发明专利]聚合物接枝碳黑复合电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物接枝碳黑复合电阻型薄膜湿敏元件及其制作方法。

背景技术

湿度测定和控制对于环境监测和保护，气象预测，工农业生产，物质贮存，家居生活环境优化等都起着十分重要的作用。而湿度传感器是检测湿度的最常用而且有效的工具，其研究和应用具有十分重要的意义。相比于传统的陶瓷材料湿度传感器，高分子材料湿度传感器具有响应特性好，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，目前已成为湿度传感器研究发展的重要方向。其中高分子电阻型湿度传感器由于体积小，且可与现代集成电路技术很好相容，发展迅速，是目前应用较广的一类新型湿度传感器。但其也存在着高湿环境下高分子敏感材料易溶解流失，导致响应变差，稳定性不好；而低湿环境下由于电阻太高难以测定等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在宽的湿度范围具有灵敏度高，线性度好，响应快的聚合物接枝碳黑复合薄膜电阻型湿敏元件及其制作方法。

本发明的聚合物碳黑复合电阻型薄膜湿敏元件，具有微晶玻璃基体，在微晶玻璃基体表面有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在微晶玻璃片基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜，湿敏薄膜为聚4-乙烯基吡啶接枝的碳黑经过交联季胺化得到的复合物。

聚合物接枝碳黑复合电阻型薄膜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微晶玻璃基片，烘干备用；

2)在4-羟基-2，2，6，6-四甲基吡啶氮氧自由基存在下，以过氧化苯甲酰为引发剂，引发4-乙烯基吡啶本体聚合，在氩气气氛下于90～125℃反应15～40h，所得产物经沉淀、真空干燥，得到氮氧自由基封端的聚合物；

3)将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，碳黑与聚合物的质量比为1∶6～24，在氩气氛下于90～125℃反应2～15h，然后用乙醚沉淀，经过滤、洗涤及真空干燥，得到聚4-乙烯基吡啶接枝碳黑复合物；

4)将聚4-乙烯基吡啶接枝碳黑复合物与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复合物中的4-乙烯基吡啶单元与1，4-二溴丁烷的摩尔比为1∶0.5～2，配制成复合物浓度为5～30毫克/毫升的溶液，在30℃下磁搅拌4～12h，得前驱体溶液；

5)采用浸涂机将步骤1)的微晶玻璃叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5～5分钟，提拉取出后，80～140℃温度下热处理2～12小时，制得聚合物接枝碳黑复合电阻型薄膜湿敏元件。

上述的聚合物接枝碳黑复合电阻型薄膜湿敏元件的制作方法所说的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)所制备的聚合物接枝碳黑复合湿敏材料，是通过在氮氧自由基存在下，进行4-乙烯基吡啶本体聚合，将氮氧自由基引入聚4-乙烯基吡啶的端基，并通过热裂解形成自由基，被碳黑捕捉，从而将聚合物接枝到碳黑表面，而不是将两者简单的物理共混。因此可明显改善复合材料中碳黑在聚合物基体中的分散性，减少碳黑粒子的团聚现象，使得制备的湿敏元件对湿度具有高的响应灵敏度和好的一致性；

2)采用聚合物接枝碳黑复合物作为湿敏膜，通过引入具有良好本征导电性的碳黑粒子，可以使得湿敏膜在低湿环境下也具有较高的导电性，从而解决通常高分子电阻型湿度传感器因在低湿下离子迁移率低，电阻过高，难以测定，不能检测低湿环境湿度的问题；

3)采用聚4-乙烯基吡啶与碳黑接枝，利于碳黑粒子的分散，且聚合物在季胺化后吸湿性增强，使得湿敏膜在不同湿度下体积变化增大，引起碳黑粒子间距加大，电阻变化范围变宽，响应灵敏度提高；

4)采用交联季胺化聚4-乙烯基吡啶与碳黑接枝复合物为湿敏膜，可方便地通过调节碳黑与聚合物的比例，改变碳黑粒子电子导电和季胺化聚4-乙烯基吡啶离子导电这两种导电机理在不同湿度下对湿度响应的贡献，获得具有适当电阻值，在低湿下以碳黑粒子导电为主，高湿下离子导电为主，可测试低湿环境的湿敏元件；

5)采用聚合物接枝碳黑复合物作为湿敏膜，其中以碳黑为电子导电粒子，聚4-乙烯基吡啶为聚合物基质，并在季胺化后提供离子导电能力。通过调节碳黑与聚合物的比例，以及复合导电材料的逾渗值，改变两种导电机理在不同湿度下对湿度响应的贡献，获得具有适当电阻值，在低湿下以碳黑粒子导电为主，高湿下离子导电为主的湿敏膜；