專利名稱：一種聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合電阻型濕敏元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合電阻型濕敏元件及其制作方法。
背景技術(shù)：
濕度檢測在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測中具有日益重要的作用。作為檢測濕度最為常用而有效的方法，濕度傳感器的研究也因而受到各國普遍重視。近年來，高壓電氣設(shè)備越來越多的應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，而用于高壓變電設(shè)備絕緣的介質(zhì)六氟化硫氣體中水分含量對于其絕緣性能有著顯著影響，并影響設(shè)備壽命和安全，因此低濕環(huán)境的監(jiān)測亦受到很大的關(guān)注。高分子電阻型濕度傳感器具有響應(yīng)靈敏度高、制備簡便、價(jià)格低廉、易于改性調(diào)控性能等優(yōu)點(diǎn)，成為濕度傳感器研究發(fā)展的重點(diǎn)。當(dāng)前高分子電阻型濕度傳感器主要以聚電解質(zhì)為主，這類材料響應(yīng)靈敏度比較高，但同時(shí)這類材料在低濕環(huán)境下具有很高的電阻，難以測定，大大限制了其在低濕檢測中的應(yīng)用。為此，有必要通過化學(xué)修飾、復(fù)合等方法對于高分子濕敏材料進(jìn)行改性，以降低其低濕電阻，擴(kuò)大檢測量程，改善其低濕響應(yīng)特性。將聚電解質(zhì)與高分子和無機(jī)導(dǎo)電材料等通過共聚、共混等方法復(fù)合，可以在一定程度上降低復(fù)合材料的電阻，有望制備可檢測低濕環(huán)境的電阻型濕度傳感器。2004年Geim等人發(fā)現(xiàn)石墨烯材料，在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，僅僅過了六年時(shí)間，即在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯這種新型二維納米材料具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。石墨烯是已知材料中最薄的一種，非常牢固堅(jiān)硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快其導(dǎo)電電子不僅能在晶格中無障礙地移動(dòng)，而且速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度。由此可用于制備室溫彈道場效應(yīng)晶體管， 單電子器件以及集成電路，此外它還在復(fù)合材料、電池電極材料、儲(chǔ)氫材料、場發(fā)射材料、量子計(jì)算機(jī)以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在寬的濕度范圍內(nèi)，特別是在低濕環(huán)境下具有響應(yīng)靈敏度高、濕滯小、可室溫檢測的聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合電阻型濕敏元件及其制作方法。本發(fā)明的聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件，具有陶瓷基體，在陶瓷基體表面光刻和蒸發(fā)有多對叉指金電極，在叉指金電極上連接有引線，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂覆有濕敏薄膜，濕敏薄膜為聚二烯丙基二甲基氯化銨與石墨烯復(fù)合濕敏材料。聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型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)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2)將1-5克25%wt的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液用5-15毫升去離子水稀釋；
3)將5-25毫克氧化石墨烯加入5-15毫升水中，超聲振蕩處理15-45分鐘，然后逐滴加入到步驟2)制備的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中，繼續(xù)超聲振蕩處理15-45分鐘后， 加入0. 1-0. 5毫升質(zhì)量含量為85%的水合胼，在65-125°C下加熱5_15小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬于步驟3)制備的前驅(qū)體溶液中0. 5-2分鐘，提拉取出后，在60-120°C下加熱1-10小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合濕敏薄膜的電阻型濕敏元件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1)陽離子聚電解質(zhì)聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)是一種常見的聚電解質(zhì)材料，其濕滯小，響應(yīng)靈敏度高。但是存在低濕下電阻高的缺點(diǎn)，難以用于低濕環(huán)境測定，限制了其實(shí)際應(yīng)用的范圍。石墨烯作為一種具有優(yōu)異導(dǎo)電性的二維納米導(dǎo)電材料，與聚電解質(zhì)PDDA 復(fù)合后明顯降低了元件在干燥環(huán)境下的電阻，使其在低濕下仍具有很好的線性響應(yīng)，同時(shí)它沒有影響聚電解質(zhì)濕敏材料PDDA的其它優(yōu)異濕敏響應(yīng)特性，復(fù)合物仍然體現(xiàn)出很小的濕滯。2)石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，但是其不溶不熔，難以直接實(shí)現(xiàn)與聚電解質(zhì)良好復(fù)合。為此，選用在溶液中具有良好分散性的氧化石墨烯與聚電解質(zhì)PDDA直接進(jìn)行溶液共混。通過浸涂方法，將復(fù)合物薄膜沉積于叉指金電極上，再進(jìn)行一步化學(xué)還原，即可制得石墨烯與聚電解質(zhì)復(fù)合薄膜電阻型濕敏元件。該方法簡便易行，避免了通常納米材料與聚合物復(fù)合時(shí)，為了改善其分散特性而需要對于納米材料進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)修飾改性，采用浸涂方法制備的元件一致性好，成品率高，尤其適于批量生產(chǎn)；
3)石墨烯的導(dǎo)電性很高，而且不受環(huán)境濕度影響，其與聚電解質(zhì)復(fù)合，可顯著降低濕敏元件在低濕環(huán)境下的電阻，從而方便地實(shí)現(xiàn)低濕環(huán)境測定；而且作為二維納米材料，其與聚電解質(zhì)PDDA復(fù)合，可顯著提高濕敏膜的比表面積，從而加快響應(yīng)和增加響應(yīng)靈敏度，此外石墨烯良好的化學(xué)穩(wěn)定性也有利于濕敏元件穩(wěn)定性的提高；
4)本發(fā)明的濕敏元件具有體積小，低成本，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。采用基底為多孔陶瓷的叉指金電極結(jié)構(gòu)，可以改善濕敏薄膜與電極基底的接觸性，提高元件的穩(wěn)定性。該濕敏元件可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程、倉儲(chǔ)、大氣環(huán)境監(jiān)測時(shí)對于環(huán)境濕度精確測量與控制，特別是低濕環(huán)境的濕度檢測。


圖1是本發(fā)明的濕敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖2是聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件的濕滯曲線； 圖3是聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件的低濕響應(yīng)曲線； 圖4是聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。參照圖1，本發(fā)明的聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件，具有陶瓷基體1， 在陶瓷基體表面光刻和蒸發(fā)有多對叉指金電極2，在叉指金電極上連接有引線4，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂覆有濕敏薄膜3，濕敏薄膜3為聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)和石墨烯復(fù)合濕敏材料。所說的陶瓷片基體表面的叉指的叉指寬度為20-200 ym，叉指間隙為20-200μ m0實(shí)施例1
1)清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2)將5克25%wt的PDDA溶液用5毫升去離子水稀釋；
3)將5毫克氧化石墨烯加入5毫升水中，超聲振蕩處理15分鐘，然后逐滴加入到步驟 2)制備的PDDA溶液中，繼續(xù)超聲振蕩處理15分鐘后，加入0. 1毫升質(zhì)量含量為85%的水合胼，在65°C下加熱5小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬于步驟3)制備的前驅(qū)體溶液中0.5分鐘，提拉取出后，在60°C下加熱1小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合濕敏薄膜的電阻型濕敏元件。實(shí)施例2:
1)清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2)將3克25%wt的PDDA溶液用7毫升去離子水稀釋；
3)將7毫克氧化石墨烯加入7毫升水中，超聲振蕩處理20分鐘，然后逐滴加入到步驟 2)制備的PDDA溶液中，繼續(xù)超聲振蕩處理20分鐘后，加入0. 2毫升質(zhì)量含量為85%的水合胼，在125°C下加熱7小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬于步驟3)制備的前驅(qū)體溶液中0.8分鐘，提拉取出后，在70°C下加熱2小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合濕敏薄膜的電阻型濕敏元件。實(shí)施例3:
1)清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2)將1克25%wt的PDDA溶液用10毫升去離子水稀釋；
3)將15毫克氧化石墨烯加入10毫升水中，超聲振蕩處理30分鐘，然后逐滴加入到步驟2)制備的PDDA溶液中，繼續(xù)超聲振蕩處理30分鐘后，加入0. 4毫升質(zhì)量含量為85%的水合胼，在80°C下加熱10小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬于步驟3)制備的前驅(qū)體溶液中1.5分鐘，提拉取出后，在90°C下加熱5小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合濕敏薄膜的電阻型濕敏元件。實(shí)施例4:
1)清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；
2)將5克25%wt的PDDA溶液用15毫升去離子水稀釋；
3)將25毫克氧化石墨烯加入15毫升水中，超聲振蕩處理45分鐘，然后逐滴加入到步驟2)制備的PDDA溶液中，繼續(xù)超聲振蕩處理45分鐘后，加入0. 5毫升質(zhì)量含量為85%水合胼，在125°C下加熱15小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬于步驟3)制備的前驅(qū)體溶液中2分鐘，提拉取出后，在120°C下加熱10小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合濕敏薄膜的電阻型濕敏元件。該濕敏元件的濕滯曲線見圖2，由圖所見，聚電解質(zhì)PDDA和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件的濕滯很小，約為1%RH ；由圖3可見，在0. 25-30%RH的低濕環(huán)境下，復(fù)合濕敏元件在半對數(shù)坐標(biāo)下具有很好的響應(yīng)線性度，而且響應(yīng)靈敏度較高，體現(xiàn)出很好的濕敏響應(yīng)特性；
由圖4可見，將本發(fā)明制備的復(fù)合濕敏元件在84%RH和11%RH的高低濕環(huán)境下轉(zhuǎn)換時(shí)， 元件吸濕響應(yīng)很快，響應(yīng)時(shí)間僅為9秒，但脫濕較慢，響應(yīng)時(shí)間為150秒。
權(quán)利要求
1.一種聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件，其特征在于它具有陶瓷基體⑴， 在陶瓷基體表面光刻和蒸發(fā)有多對叉指金電極⑵，在叉指金電極上連接有引線⑷，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂覆有濕敏薄膜⑶，濕敏薄膜為聚二烯丙基二甲基氯化銨和石墨烯復(fù)合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合電阻型濕敏元件的制作方法，其特征在于包括以下步驟1)清洗表面光刻和蒸發(fā)有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；2)將1-5克25%wt的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液用5-15毫升去離子水稀釋；3)將5-25毫克氧化石墨烯加入5-15毫升水中，超聲振蕩處理15-45分鐘，然后逐滴加入到步驟2)制備的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中，繼續(xù)超聲振蕩處理15-45分鐘后， 加入0. 1-0. 5毫升質(zhì)量含量為85%的水合胼，在65-125°C下加熱5_15小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液；4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬于步驟3)制備的前驅(qū)體溶液中0.5-2分鐘，提拉取出后，在60-120°C下加熱1-10小時(shí)，得到覆蓋有聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合濕敏薄膜的電阻型濕敏元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚電解質(zhì)和石墨烯復(fù)合的電阻型濕敏元件及其制作方法，它是以陶瓷為基片，其上有多對叉指金電極，在陶瓷基片和叉指金電極表面涂敷有濕敏薄膜，濕敏薄膜為聚電解質(zhì)聚二烯丙基二甲基氯化銨和石墨烯復(fù)合物。該濕敏元件在寬的濕度范圍，特別是在低濕度環(huán)境下均具有阻抗值適中、靈敏度高、線性度好、濕滯小、在室溫下檢測等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、大氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)τ诃h(huán)境濕度，尤其是低濕環(huán)境下濕度的精確測量與控制。
文檔編號(hào)G01N27/04GK102323300SQ20111020009
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者李揚(yáng), 楊慕杰, 鄧超 申請人:浙江大學(xué)