[发明专利]一种高分子聚合物基电容型湿度传感器及其制备和检测方法

说明书

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。

目前典型的电容型湿度传感器为Humirel公司生产的HS1101，测量范围0%～100%RH，测量误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，工作温度-60℃～+140℃。但不适合更高温度与强酸性、强碱性等恶劣环境检测。

发明内容

本发明提出一种高分子聚合物基电容型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：一种高分子聚合物电容型湿度传感器，为层状结构，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Pt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。

制备所述的高分子聚合物电容型湿度传感器的方法，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、酸浸后，再静置于[Pt(NH₃)₄]Cl₂溶液中，按下式反应镀内层电极：

4Pt⁺+NaBH₄+4OH^-?4Pt+2H₂+B(OH)₄^-+Na⁺；

然后再按下式镀外层电极：

Pt⁺+2N₂H₄?Pt+2NH₄⁺+4NH₃+N₂-；

内外层电极镀好后，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）。

所述的高分子聚合物电容型湿度传感器的检测方法，由交流供桥电路进行供电，通过交流放大电路进行测量，通过下式换算得到湿度，                                               ，

表示湿度，为输出电压，为供桥电压，为传感器电容，为参考电容，为湿度-电容转换系数。

有益效果：

本发明的湿度传感器所采用的湿敏材料高分子聚合物全氟磺酸树脂（PFSI）具有密集、均匀的分子级分布形式，溶胀比满足近线性关系。全氟磺酸树脂（PFSI）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℃～190℃），动态性能优异，可用于恶劣环境。并且本发明的湿敏材料层可设计性强，能根据需求设计不同型式，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。

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为本发明的结构剖面示意图。

图3为本发明的检测方案示意图。

其中4为供桥电路，5为交流放大电路，6为示值仪器。

图4为湿度—容抗拟合特性曲线(pF)。

具体实施方式

（一）   传感器制作