本发明涉及一种采用交联高分子复合感湿材料的阻抗型湿敏元件及其制作方法，属于感湿材料开发及湿敏元件制作技术领域。
背景技术：
空气湿度的精确监测与控制在工业、农业、航天、气象等部门起着非常关键的作用。湿度传感器种类繁多，考虑元件制作、成本、信号采集/处理等因素，阻抗型湿度传感器被广泛应用。湿敏元件是湿度传感器的核心部分，感湿材料又是湿敏元件的关键部分。
阻抗型湿敏元件根据感湿材料与水分子之间的相互作用所引起的阻抗随环境湿度的变化来检测湿度。在现有感湿材料中，有机高分子感湿材料易于溶液成膜加工，采用这种感湿材料制作的湿敏元件平行性较好。并且，有机高分子感湿材料作为一种有机材料，其结构可以通过特定的化学反应灵活调控，因而具有很高的实用价值。
所述有机高分子感湿材料以双亲性聚电解质为代表，其湿敏功能来自其双亲性，所谓双亲性是指含有疏水性碳基结构及亲水性离子单元，例如季铵盐、两性离子磺基甜菜碱等。采用双亲性聚电解质感湿材料制作的湿度传感器称为聚电解质基湿度传感器。在现有技术中用作感湿材料的双亲性聚电解质其结构属于线型类，这使得聚电解质基湿度传感器在检测高湿环境的湿度时稳定性下降，其表现是长时间在高湿环境下工作，感湿材料与水分子之间发生强相互作用，湿敏元件的敏感膜发生形态改变，从眼前看导致测量信号偏移，从长远看导致传感器寿命缩短。
技术实现要素：
为了提高聚电解质基湿度传感器在高湿环境中的稳定性，我们发明了一种采用交联高分子复合感湿材料的阻抗型湿敏元件及其制作方法。
本发明之采用交联高分子复合感湿材料的阻抗型湿敏元件在衬底上印有叉指电极，在衬底印有叉指电极一侧涂覆敏感膜，其特征在于，所述敏感膜系由双亲性多孔交联聚电解质与成膜性良好的聚合物复合而成。
本发明之采用交联高分子复合感湿材料的阻抗型湿敏元件制作方法其特征在于：
步骤1，将多烯基单体、芳基亲水性单体和催化剂AlCl3溶于无水1,2-二氯乙烷中，经过傅克烷基化反应，得到双亲性多孔交联聚电解质；
步骤2，将所述双亲性多孔交联聚电解质与成膜性良好的聚合物在溶剂中进行研磨和分散，得到成膜浆料；
步骤3，在衬底印有叉指电极一侧滴涂所述成膜浆料，形成敏感膜，溶剂挥发后完成所述阻抗型湿敏元件的制作。
本发明其技术效果在于，所制作的阻抗型湿敏元件其敏感膜中的感湿材料为交联聚电解质，所谓交联聚电解质具有体型结构，相比于线型结构，分子结构的稳定性高，使得敏感膜在高湿环境中工作不易发生感湿材料的流失，敏感膜形态不易发生变化，避免测量信号的偏移，湿敏元件的使用寿命也得到保证。同时，交联聚电解质与成膜性良好的聚合物复合，交联聚电解质均匀散布在成膜性良好的聚合物中，提升了敏感膜的湿敏特性；交联聚电解质的多孔特点有利于敏感膜对水分子的吸附及传输。此外，与现有技术相比，本发明之阻抗型湿敏元件灵敏度较高，本发明之阻抗型湿敏元件制作方法工艺简单，这些特点将在下文有所阐述。
附图说明
图1是本发明实例中的POSS-TPPBr的扫描电子显微镜图片。图2是本发明实例中的POSS-TPPBr的氮气吸附/脱附等温曲线图。图3是作为本发明实例的POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件的感湿特性曲线图。图4是作为本发明实例的POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件的连续响应/恢复曲线图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之采用交联高分子复合感湿材料的阻抗型湿敏元件在衬底上印有叉指电极，在衬底印有叉指电极一侧涂覆敏感膜。所述叉指电极为碳材质电极，电极宽度为50～500微米，指间间距为50～500微米，对数为1～50对。所述衬底为刚性衬底或者柔性衬底，所述刚性衬底为陶瓷衬底或者硅衬底，柔性衬底为聚酰亚胺衬底。所述敏感膜系由双亲性多孔交联聚电解质与成膜性良好的聚合物复合而成。所述双亲性多孔交联聚电解质由多烯基单体、芳基亲水性单体经过傅克烷基化反应得到；所述成膜性良好的聚合物为聚苯乙烯(PS)、聚乙炔、聚丙烯酰胺、聚甲基吡咯烷酮或者聚乙烯醇。
本发明之采用交联高分子复合感湿材料的阻抗型湿敏元件制作方法包括以下步骤：
步骤1，将多烯基单体、芳基亲水性单体和催化剂AlCl3(三氯化铝)溶于无水1,2-二氯乙烷(ClCH2CH2Cl)中，经过傅克烷基化反应，得到双亲性多孔交联聚电解质。所述多烯基单体为八乙烯基八硅倍半氧烷(POSS-vinyl)、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、四乙烯硅烷或者二乙烯基苯，所述二乙烯基苯为邻位二乙烯基苯、间位二乙烯基苯或者对位二乙烯基苯；所述芳基亲水性单体为四苯基溴化膦(TPPBr)或者四苯基氯化膦。
步骤2，将所述双亲性多孔交联聚电解质与成膜性良好的聚合物在溶剂中进行研磨和分散，得到成膜浆料。所述成膜性良好的聚合物为聚苯乙烯(PS)、聚乙炔、聚丙烯酰胺、聚甲基吡咯烷酮或者聚乙烯醇。双亲性多孔交联聚电解质与成膜性良好的聚合物的质量比为1～10:1。所述溶剂为水、二氯甲烷、四氢呋喃、乙醚、甲醇中的一种或者多种。所述成膜浆料的浓度为5～100克/升，溶质为双亲性多孔交联聚电解质和成膜性良好的聚合物。
步骤3，在衬底印有叉指电极一侧滴涂所述成膜浆料，溶剂挥发后形成敏感膜，溶剂挥发后完成所述阻抗型湿敏元件的制作。所述叉指电极为碳材质电极，电极宽度为50～500微米，指间间距为50～500微米，对数为1～50对。所述衬底为刚性衬底或者柔性衬底，所述刚性衬底为陶瓷衬底或者硅衬底，柔性衬底为聚酰亚胺衬底。所述成膜浆料的滴涂量为1～100微升。
下面用实例进一步说明本发明。
1、双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr的合成
多烯基单体选用POSS-vinyl(八乙烯基八硅倍半氧烷)，用量为0.477毫摩尔，称重302毫克；芳基亲水性单体选用TPPBr(四苯基溴化膦)，用量为0.715毫摩尔，称重300毫克；催化剂AlCl3(三氯化铝)用量为1.905毫摩尔，称重254毫克；将所述POSS-vinyl、TPPBr及AlCl3置于盛有6毫升无水ClCH2CH2Cl(1,2-二氯乙烷)的反应瓶中，脱气后加热至80℃，在氮气气氛中反应16h。冷却至室温，向反应瓶中加入过量甲醇，经过滤、水洗后得到粉末状物，将该粉末状物与1摩尔/升的稀盐酸混合搅拌1小时，将过滤后得到的深色固形物分别用甲醇、二氯甲烷作为淋洗剂进行索氏提取提纯，得到本步骤产物双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr，将该产物在真空烘箱内在40℃温度下烘干，以备下一步骤使用。
所合成的双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr表现出多孔堆积的特征，如图1所示，有利于水分子的吸附及传输，使其具有良好的湿敏特性。根据所合成的双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr的氮气吸附/脱附等温曲线，如图2所示，该等温曲线是IV型等温线，也表明该产物具有孔特性。
2、成膜浆料的制备
成膜性良好的聚合物选用PS(聚苯乙烯)，用量为10毫克；溶剂选用二氯甲烷，用量为1毫升；将选用的PS以及10毫克的双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr一并加入选用的室温二氯甲烷中，经研磨和分散后得到成膜浆料。所述成膜浆料的浓度为20克/升，溶质为双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr和PS。
3、POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件的制作
衬底选用陶瓷衬底，取所述成膜浆料10微升，在陶瓷衬底印有叉指电极一侧滴涂所述成膜浆料，二氯甲烷挥发后形成敏感膜，完成POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件的制作。所述叉指电极为碳材质电极，电极宽度为100微米，指间间距为100微米，对数为30对。
将制作的POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件与阻抗分析仪相连。利用饱和盐溶液法获得相对湿度(RH)为11％、33％、54％、75％、85％和95％的环境。将POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件置于上述不同相对湿度环境中，在1伏交流电、1000赫兹频率下自阻抗分析仪读取不同相对湿度平衡状态下POSS-TPPBr/PS阻抗型湿敏元件的复阻抗，得到POSS-TPPBr/PS湿敏元件阻抗与相对湿度之间的关系，如图3所示，可见，POSS-TPPBr/PS湿敏元件具有良好的感湿特性，在全湿度范围内具有很好的响应以及很小的湿滞(最大湿滞～2.3％RH)。测试响应/恢复曲线时，连续测试POSS-TPPBr/PS湿敏元件在33％RH和95％RH中转换时的复阻抗，如图4所示，当相对湿度从33％RH增加到95％RH时，响应时间(复阻抗变化量达到变化值的90％时所用的时间)为5.6秒，当相对湿度从95％RH减小为33％RH时，恢复时间为39.1秒，可见，POSS-TPPBr/PS湿敏元件具有很快的响应速度。
双亲性多孔交联聚电解质POSS-TPPBr的合成反应方程式为：
产物的交联、体型结构为其带来分子结构的高稳定性。