[发明专利]一种基于微区再溶解反应的湿度传感器薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料和湿度传感器领域，具体涉及一种基于微区再溶解反应的薄膜湿度传感器湿滞改进方法。

背景技术

湿度是环境监测的重要参数之一。对湿度进行精确测量是比较困难的，其原因在于湿度是个独立的参量，而空气中所含的水蒸汽含量极少，而且难于集中在湿敏元件表面，因此不得不根据物理和化学定律将其转化为测量与湿度相关的二次参数再进行转换才能求得湿度值，而这些二次参数却极大地受大气压强、温度等其他因素的影响，因而造成湿度测量较为困难。随着人们对湿度及其测量重要性认识的逐渐深入，各领域对湿度的精确监测都提出了更高的要求；与传统的非电性湿度测量方法，如伸缩法、干湿球法等相比，湿度传感器具有测量范围广、灵敏度高、易于与系统集成以及长期稳定性好等优点，但还存在着价格昂贵、精度低、漂移大、线性度、一致性和重复性不理想等不足，因此亟待研究和发展高灵敏、高稳定、宽范围、低湿滞和快响应的湿度传感器。其中，湿滞性能作为湿度测量当中重要的一项参数，往往成为湿度传感器在推广与应用中受到局限的重要参数。

湿滞性能等湿度传感器主要性能参数的提高对湿度传感器的研究与应用有着重要意义，而这些性能都与湿度传感器所采用的湿敏材料和薄膜结构有关。在新材料应用的推广与发展中，由于湿敏材料的吸湿特性及官能团特性，使得湿敏材料存在吸湿溶胀、水分子滞留等问题；这些问题由于存在材料的本征状态，因此很难通过单一敏感薄膜来提高和改善传感器的性能。将不同材料进行复合，通过材料间的化学、离子、范德华力等微观作用力可有效弥补单一材料的不足，并增强其湿敏性能。目前已有一些通过复合方式提高湿敏性能的相关报道。韩国高丽大学Kum-Pyo Yooa等报道了一种新型的等离子体处理多壁碳纳米管(p-MWCNTs)/聚酰亚胺(PI)复合膜电阻型湿度传感器，与单一PI材料相比，复合膜传感器拓宽了湿敏范围，同时降低了电阻。香港城市大学在这方面进行了类似的报道。浙江大学Lei Sheng等通过静电纺丝技术制备了基于氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物(Nafion)/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合纳米纤维膜的声表面波湿度传感器，由于复合材料既有较高的水分子吸附效率，又产生电导率的变化，充分利用了声表面波传感器的质量负载效应、声电耦合效应和粘弹性效应，因此在10-80％RH范围内的湿度响应具有很好的线性度(R²>0.98)，灵敏度达到了400MHz/％RH，同时该元件在0.5％RH的低湿下依然有响应，可望用于极低湿检测。

但上述报道对湿滞性能的研究较少，也未涉及如何降低传感器湿滞性能的工艺方法。而在材料复合过程中，为了增强湿滞性能，往往需要材料间有较强的相互作用力(如化学键、离子键等)，但上述作用力在复合薄膜制备过程中往往会造成材料间相互反应从而生成不溶物，形成沉淀等固体相，使复合材料无法充分分散并通过溶液方法制备在基片表面。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提出一种基于微区再溶解反应的湿度传感器薄膜及其制备方法，通过再溶解方法产生化学键合或离子吸附作用来减少复合薄膜在吸附水分子过程中产生的溶胀效果，提升薄膜整体湿敏性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于微区再溶解反应的湿度传感器薄膜，包括沉积在基底上的先导层薄膜，以及将溶液B以微米级别的微滴滴至先导层薄膜并待溶剂挥发后形成的后进层薄膜。先导层薄膜通过包括气喷法在内的溶液成膜方式实现；后进层薄膜基于气体雾化原理，在薄膜沉积过程中将溶液B转化为微米级别的微滴，在沉积过程中形成微区，在将微滴滴至先导层薄膜时溶液B中的溶质与先导层薄膜发生再溶解效应，在再溶解区域发生化学或离子反应，最终完成对后进层薄膜的沉积。

其中，用于制备后进层薄膜的溶液B滴至先导层薄膜时发生再溶解效应，通过化学方法使后进层薄膜的材料与先导层薄膜的材料之间产生复合键合。通过再溶解方法使最终先导层与后进层之间产生化学键合或离子吸附作用，从而减小复合薄膜在吸附水分子过程中产生的溶胀，提升水分子在吸、袪湿过程中的效率，并最终减少在湿滞循环中的湿滞，提升复合材料的湿滞性能。

其中，用于制备先导层薄膜的溶液A中的溶剂与用于制备后进层薄膜的溶液B的溶剂相同；溶液A中的溶质与溶液B的溶质均为可溶性材料，且两种溶质在溶剂作用下可发生化学或离子反应。也可以是先导层薄膜的材料不可溶于后进层薄膜的材料，但用于形成后进层薄膜的溶剂B中的溶质可在溶剂的作用下与先导层薄膜发生化学或离子反应。