CN1105911C - 湿度敏感元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

如图所示，亲水性聚合物材料如聚乙烯醇形成多孔膜(301)。由疏水性聚合物材料如聚乙酸乙烯酯制成的膜(储存膜)(303)形成在大量孔(302)的内壁上，孔(302)形成在多孔膜(301)上。氯化锂(304)保存在这些孔(302)中。

Description

湿度敏感元件及其制作方法

本发明涉及用于测量湿度或露点的湿度敏感元件及其制作方法。

通常，大气湿度被看作影响空气质量的很重要的因素。在许多领域需要测量和控制绝对湿度，例如室内的湿度控制，诸如碳化和回火等热处理中的湿度控制、高炉通风的湿度调解以及仓库、商店和实验室的封闭容器的湿度测量和调节。最近，半导体生产工厂的湿度控制已变得很重要，在农作物的成长控制中也越来越需要这种技术。另一方面，由于与生活更相关的目的，例如除天气预报外的洗衣预报，也越来越需要进行天气情况的露点测量。为了满足这些需要，通常使用几种绝对湿度测量方法。

作为一种绝对湿度测量方法，利用氯化锂(LiCl)—潮解性的氯化锂露点仪测量露点温度，这种氯化锂露点仪是通过氯化锂的电导率随着吸收水分而变化，以及氯化锂水溶液的蒸气压力随着温度变化而变化进行测量的。这种仪器的湿度敏感元件是这样制成的，即用氯化锂水溶液浸渍玻璃纤维条，并把两个平行的细金属导线作为电极螺旋盘绕在浸渍后的纤维条上。当把交流(AC)电压加在两个电极上时，在两极之间产生电流，提高溶液温度。同时，水溶液中的水分蒸发使溶液饱和，从而开始析出氯化锂晶体。当晶体开始析出时，水溶液的电阻极剧加大，电流减小，这样阻止温度上升。因此，保持与周围水蒸气压力相应的温度。如果周围水蒸气压力下降，则由于水溶液中的水分蒸发，析出晶体，温度会进一步下降。另一方面，如果周围水蒸气压力上升，吸收水分以致破坏饱和状态，电流增大，同时温度上升。按照这种方式，使氯化锂饱和水溶液的温度得以被保持，以使与周围水蒸气压力平衡。如果知道这个平衡温度，则可以计算露点温度。

然而，如果这种氯化锂露点仪的湿度敏感元件在特别高的温度及高湿度的空气中放置很长时间，氯化锂很快被洗脱，会严重损害仪器性能。因此需要进行维护和处理，同时周期性地补充氯化锂。

如上所述，如果传统氯化锂露点仪的这种元件长时间放置在高温度高湿度的空气中，则会产生如下结果。也就是具有强潮解性的氯化锂吸收空气中的水蒸气并溶解在吸收的水蒸气中，形成水溶液。通常，通以电流来升高溶液温度以便蒸发水分。然而，如果大气的温度和湿度太高，则这种水分蒸发不能令人满意，从而氯化锂水溶液的浓度下降。因此，氯化锂水溶液的流动性过分增大，并且流出包含溶液的玻璃纤维条。一旦氯化锂水溶液流出，湿度敏感元件中所用的氯化锂量减少，这将增大相同水分值的电阻，因此，不再能进行精确的湿度测量。

因此，通常必须这样进行维护和处理：即通过比如周期性地补充氯化锂，使氯化锂保持预定的浓度。这种处理是很麻烦的。

本发明就是要解决上述传统问题，其目的在于使湿度敏感元件能长时间稳定工作。

为达到上述目的，根据本发明的湿度敏感元件包括功能膜，该膜与设置在基底上的一对电极相接；和用于测量功能膜的温度的温度测量装置，其中所述功能膜具有多孔状结构，由亲水性并包括许多精细微孔的第一聚合物材料制成，还包括储存膜，所述储存膜形成在各微孔的内壁，由疏水性的第二聚合物材料制成，电解盐储存在所述微孔中。

由此，电解盐被限制在多个微孔中，微孔中有亲水基。同时，水分可以自由进入并留在电解盐存在的地方。

另外，本发明的制作湿度敏感元件的方法是一种制作包括以与设置在基底上的一对电极相接触的方式制成的功能膜，和用于测量功能膜温度的温度测量装置的湿度敏感元件的方法，其中所述功能膜是按如下方式形成的。也就是，把亲水性的第一聚合物材料溶解在具有极性并能够溶解第一聚合物材料的第一溶剂中，形成基本溶液。在基本溶液中扩散疏水性的有机材料形成乳液，所述有机材料不溶解于第一溶剂中。以小液滴形式在乳液中扩散的有机材料聚合形成悬浮物，第二聚合物材料的颗粒在基本溶液中扩散。所述第二聚合物材料是由有机材料聚合获得的，并具有疏水性。通过在所述基底的预定区域涂敷所述悬浮液形成涂膜。部分去除涂膜中的水分以便把一些颗粒置于所述涂膜的表面。把所述涂膜浸入第二溶剂中溶解所述第二聚合物材料，所述第二溶剂不溶解第一聚合物材料而溶解第二聚合物材料。通过使涂膜呈具有大量孔的多孔结构，在由第二聚合材料制成的膜所形成的内壁上形成多孔膜。把多孔膜浸在电解盐的水溶液中，以便用电解盐的水溶液浸渍多孔膜，从而把电解盐储载在构成多孔膜的微孔中。

这样，由第一聚合物材料制成的膜具有多孔结构，而且电解盐储存在多孔结构的许多孔中。

图1是表示本发明一个实施方案的湿度敏感元件的局部结构剖面图；

图2是表示本发明一个实施方案的湿度敏感元件的部分结构平面图；

图3是表示功能膜部分结构的剖面图；

图4是表示制作功能膜方法的工艺流程图；

图5A至5C是说明功能膜制作方法的示意图。

下面将参考附图详细描述本发明的一个实施方案。

图1和图2示出根据本发明的湿度敏感元件的结构。

在该湿度敏感元件中，一对梳状电极102形成在铝基底101上表面的中央部分。使功能膜103形成为基本上覆盖一对电极。该功能膜103用作为电解盐的氯化铝水溶液浸渍。将加热器104和温度传感器105埋没在基底101的中央，温度传感器105用于测量基底温度。这些加热器104及温度传感器105设置在一对电极102的下面。连接端子107a和107b形成在位于基底101上的一对电极102的端部。而且，端子108a和108b以及109a和109b形成在基底101上，端子108a和108b用于给加热器104提供电源，端子109a和109b连接温度传感器105。铅丝111a、111b、112a、112b、113a和113b通过导电粘接剂或焊剂与这些端子相连。这些铅丝与电源和计算机(都未示出)相连。

应予说明的是基底101的材料也可以是陶瓷。

作为基底101，可以使用例如6×50毫米、2毫米厚的铝基底。在图2中，为了说明方便，以放大比例表示较窄的部分。一对电极102是采用公知的印刷线路技术形成的，宽度为0.15毫米，而且齿之间的距离d为大约0.10毫米。

所述温度传感器105的特征为25Ω±20％(23℃时)和T.C.R.4,440ppm/℃(23至800℃)，所述加热器的参数为DC12V和500±50℃。

下面详细介绍功能膜103。如图3所示，本实施方案的功能膜103是由亲水性的聚合物材料例如聚乙烯醇制成的多孔膜301。而且，由疏水性的聚合物材料例如聚乙酸乙烯酯制成的膜(储存膜)303形成在大量孔302的内壁上，孔302形成在膜301上。也可以将该膜303考虑为亲水性和疏水性聚合物材料的混合物。通过使用膜303可以增加膜301的强度。

当用具有预定浓度的氯化锂水溶液浸渍亲水性聚合物材料的所述多孔膜301时，氯化锂被储存在孔302中形成功能膜103。

如上所述，在功能膜103中，在亲水性聚合物材料膜上以多孔方式形成大量精细孔。因此，可将水溶液储存在这些精细孔中，而不从这孔中流出。此外，在所述孔的内壁上形成疏水性聚合物材料膜。这样可以防止亲水性聚合物材料被洗脱，尽管水溶液储存在这些孔中。

因此，氯化锂水溶液储存在功能膜103的多孔结构孔中，而不从这些孔中流出；所述功能膜103用这种氯化锂水溶液浸渍过。

在实际使用中，在功能膜103的多孔结构孔中储存的氯化锂水溶液是按如下状态被使用，即其中的水分减少到析出氯化锂的程度。如果使该功能膜103长时间置于高温度、高湿度大气中，氯化锂吸收功能膜103的多孔结构孔中的水分。因此，储存在这些孔中的水溶液的浓度下降，而且这样降低了粘滞度。即使储存的氯化锂水溶液浓度下降，由于如上所述，功能膜103的基础由亲水性聚合物材料制成，而在所述膜的表面上存在亲水基，所以氯化锂水溶液也能储存住。

构成功能膜103的多孔结构的孔的尺寸可以大致为0.01至1微米。如果孔的尺寸小于这些值，则形成松散结构，实际上不能形成多孔，也不再能够用水溶液浸渍由亲水性聚合物材料制成的膜。另一方面，如果孔的尺寸太大，也不再能够制成亲水性聚合物材料膜。

再有，如果功能膜103的膜厚度太小，在保持多孔结构的同时不能获得稳定膜。如果膜的厚度太大，水蒸气或水分不容易浸透整个膜。这样降低湿度敏感元件的响应速度，产生滞后现象。因此，功能膜103的理想厚度为0.1至20微米。

下面描述制作功能膜103的方法。

分别以聚乙烯醇和聚乙酸乙烯酯作为亲水性聚合物材料和疏水性聚合物材料的例子描述本方法。

如图4的流程图所示，在步骤400中，把乙酸乙烯酯混入聚乙烯醇的水溶液中，制备乳液。

在步骤401中，搅拌所述混合溶液的同时使乙酸乙烯酯聚合。在聚合过程中也可以加入阻止共聚合的抑制剂，使聚乙烯醇和乙酸乙烯酯不发生共聚合。

在步骤402中，用聚乙烯醇水溶液(悬浮液)在预定基底的预定区域涂膜，在所述水溶液中乙酸乙烯酯聚合形成聚乙酸乙烯酯。在50℃左右加热把所述涂膜干燥到一定程度。如图2所示，预定的电极导线形成在该基底上。

在步骤403中，把涂膜浸入溶剂如丙酮中，使涂膜中的聚乙酸乙烯酯洗脱到一定程度(洗脱比例为55至75％)，从而形成多孔的聚乙烯醇薄膜。

同时，在步骤404中，把氯化锂溶解于水，制备具有预定浓度的氯化锂水溶液。

在步骤405中，把步骤403中处理的涂膜浸入在步骤404中制备的氯化锂水溶液中。以此，用氯化锂水溶液浸渍涂膜(多孔PVA薄膜)，在该薄膜上形成有大量孔。

作为上述处理过程的结果，在基底上形成多孔聚合物膜(功能膜)，该膜中氯化锂储存在聚乙烯醇中，形成有大量孔，这样制成采用氯化锂的湿度敏感元件(步骤406)。

下面详细描述聚乙烯醇膜多孔结构的形成。

首先，把乙酸乙烯酯加入聚乙烯醇的水溶液中，充分搅拌所得的混合物使乙酸乙烯酯扩散，从而制备乳液。在制备过程中也可以加入预定的乳化剂。或者反之，通过紫外光波照射使乙酸乙烯酯扩散。希望通过使用紫外光波可减小乙酸乙烯酯液滴的大小。

向乳液中加入聚合反应引发剂，把所得物质加热到预定温度使乙酸乙烯酯聚合。结果产生悬浮液，聚乙酸乙烯酯的微小颗粒扩散到聚乙烯醇的水溶液中。

如图5A所示，用这种悬浮液涂在预定基底501的表面。由此，聚乙酸乙烯酯的微小颗粒503扩散到基底501上的聚乙烯醇膜502中。

当把该涂膜干燥到一定程度，以便减少聚乙烯醇膜502的体积时，如图5B所示，一些聚乙酸乙烯酯的微小颗粒503暴露于聚乙烯醇膜的表面。

把这种状态的膜与基底501一起浸入丙酮内，保持一段预定时间。由于只有聚乙酸乙烯酯洗脱到丙酮中，颗粒503变空。也就是如同5C所示，在基底501上的聚乙烯醇膜502上形成多孔状态(多孔结构)，其中，由聚乙酸乙烯酯形成的储存膜503a形成于微孔504的内壁上。

混合到聚乙烯醇水溶液中的乙酸乙烯酯的量大约是：聚乙烯醇∶乙酸乙烯酯＝1∶10至3∶10(重量比例)。如果乙烯醇成分的量太少，则不能形成膜层。如果乙酸乙烯酯成分的量小于上述组分比例，就不能获得所要的多孔结构。也就是，如果乙酸乙烯酯的成分比例增加，则所能形成的孔的尺寸增大，从而使得不能形成膜层。另一方面，如果使乙酸乙烯酯的成分比例减小，则所能形成的孔的尺寸减小。如果再进一步减小乙酸乙烯酯成分的比例，将要形成的孔的数目也下降。因此，不能获得多孔结构。当乙酸乙烯酯的混合比例大约为聚乙烯醇∶乙醇乙烯酯＝1∶10至3∶10(重量比例)时，所能形成的多孔结构的每个孔的大小约为0.01至1微米。

再有，如果浸入丙酮中洗脱聚乙酸乙烯酯的时间过长，则聚乙酸乙烯酯会完全被洗脱。也就是，如果聚乙酸乙烯酯过度洗脱，则在多孔聚乙烯醇膜502的多个孔的内壁上几乎不形成聚乙酸乙烯酯储存膜，所以也不能获得防水性。另一方面，如果洗脱量太少，在聚乙酸乙烯酯颗粒中不能形成足够的孔，以致不能获得多孔结构。因此有如上述，聚乙酸乙烯酯的洗脱量最好大约以55至75％为洗脱比例。多孔结构形成以后的混合比例最好为聚乙烯醇∶聚乙酸乙烯酯＝6∶5至6∶27。

然而，当聚乙烯醇多孔膜的强度例如防水能力可以或多或少牺牲一些时，作为洗脱比，聚乙酸乙烯酯的洗脱量也可以超过75％。

在上面的实施例中，把聚乙烯醇用作亲水性聚合物材料。然而，也可以使用天然聚合物，例如凝胶、黄蓍胶、淀粉、甲基纤维素、CMC(羧甲基纤维素)、或者天然聚合物与合成聚合物的衍生物，例如PVA、不完全皂化PVA，另一种乙烯醇共聚物，或者聚丙烯酸酯。

疏水性聚合物材料也不限于聚乙酸乙烯酯(乙酸乙烯酯)。例如：也可以使用聚苯乙烯(苯乙烯)、多氯乙烯(二氯乙烯)、或者聚乙烯苯(二乙烯基苯)。

另外，电解盐并不限于氯化锂，也可以使用某些其他盐类，例如氯化钙。然而，氯化锂是吸水性最强的无机化合物之一，而且氯化锂水溶液的蒸气压力比其他盐例如氯化钙相对地低些。而且，水溶液的凝固点也低。此外，氯化锂还有一个优点，就是非常容易处理。

如上所述，本发明的湿度敏感元件是这样一种湿度敏感元件，它包括与形成在基底的一对电极相连的功能膜；和用于测量功能膜温度的温度测量装置，其中所述功能膜由亲水性的第一聚合物材料形成多孔结构，包括大量的微孔。本湿度敏感元件还包含形成于所述孔的内壁的储存膜，该储存膜由疏水性的第二聚合物材料形成，电解盐储存在于所述孔中。

因此，使电解盐被限制在大量的微孔中，所述微孔中存在亲水基。同时，水分可以自由进入并留在有电解盐存在的部分。也就是，即使当电解盐吸收水分形成水溶液时，也可以防止该水溶液从功能膜中流出。因此，本发明的湿度敏感元件可以在很长时间内稳定工作。

另外，在根据本发明制作湿度敏感元件的方法中，功能膜是按如下方式形成的。也就是：通过把具有亲水特性的第一聚合物材料溶解在具有极性并能溶解第一聚合物材料的第一溶剂中形成基本溶液，在基本溶液中扩散疏水性有机材料，形成乳液，所述疏水性有机材料不溶解在第一溶剂中。以液滴形式在乳液中扩散的所述有机材料聚合形成悬浮液，在所述悬浮液中，第二聚合物材料的颗粒在基本溶液中扩散，所述第二聚合物材料是由有机材料共聚获得的，并具有疏水特性。用所述悬浮液在所述基底的预定区域涂膜形成膜层。膜层中的水分被部分除去，以便把一些颗粒暴露在于膜层的表面。把涂膜浸入第二溶剂中，使第二聚合物材料溶解，所述第二溶剂不溶解第一聚合物材料而溶解第二聚合物材料，以此，通过使涂膜呈现在由第二聚合物材料制成的膜形成的内壁上具有大量的孔的多孔结构形成多孔膜。把所述多孔膜浸入电解盐水溶液中，用所述电解盐的水溶液浸渍所述多孔膜，从而把电解盐储存在构成多孔膜的孔中。

也就是，使用第一聚合物材料制成的膜层具有多孔结构，并使所述电解盐储存在所述多孔结构的多个孔中。由于第一聚合物是亲水性的，所以，即使当电解盐吸收水分形成水溶液时，该溶液也能被保持住。由此，防止电解盐从功能膜中流出。以此，本发明的湿度敏感元件可以长时间稳定工作。

Claims (12)

1、一种湿度敏感元件，包括一个位于基底(101)和一对梳状电极(102)之间并和它们中每一个相接触制成的功能膜(103)；和在所述基底上形成的用于测量所述功能膜(103)温度的温度测量装置(105)，所述功能膜的特征在于下述各部分的组合：

一个多孔结构，由具有亲水特性的第一聚合物材料制成，并包括大量的微孔(302)；

一个储存膜(303)，它形成于所述微孔(302)的内壁上，由具有疏水特性的第二聚合材料制成；和

储存在所述孔(302)中的电解盐。

2、如权利要求1所述的湿度敏感元件，其中构成所述多孔结构的所述微孔(302)的平均孔大小为0.01至3微米。

3、如权利要求1所述的湿度敏感元件，其中所述功能膜(103)的膜厚为0.1至20微米。

4、如权利要求1所述的湿度敏感元件，其中所述第一聚合物材料与所述第二聚合物材料的成分重量比为6∶5至6∶27。

5、如权利要求1所述的湿度敏感元件，其中所述的第一聚合物材料为聚乙烯醇。

6、如权利要求1所述的湿度敏感元件，其中所述的第二聚合物材料为聚乙酸乙烯酯。

7、一种制造如权利要求1所述的湿度敏感元件的方法，所述湿度敏感元件包括：一个位于基底(101)和一对梳状电极(102)之间并和它们中每一个相接触形成的功能膜(103)；和在所述基底上形成的用于测量所述功能膜(103)温度的温度测量装置(105)，其特征在于：

通过下述步骤形成所述功能膜：

第一步，把亲水性的第一聚合物材料溶解于具有极性并能溶解所述第一聚合物材料的第一溶剂中，形成基本溶液(步骤400)；

第二步，在所述基本溶液中扩散疏水性的有机材料形成乳液，所述有机材料不溶于所述第一溶剂(步骤400)；

第三步，以液滴形式扩散在所述乳液中的所述有机材料聚合，形成悬浮液，在所述悬浮液中第二聚合物材料的颗粒扩散于所述基本溶液中，所述第二聚合物材料是由所述有机材料聚合得到的，并具有疏水性(步骤401)；

第四步，用所述悬浮液在所述基底的预定区域涂敷形成涂膜(步骤402)；

第五步，部分去除所述涂膜中的水分，使一些颗粒暴露于所述涂膜的表面(步骤402)；

第六步：把所述涂膜浸在第二溶剂中，溶解所述第二聚合物材料，所述第二溶剂不溶解所述第一聚合物材料而溶解所述第二聚合物材料，从而通过使所述涂膜成为在由所述第二聚合物材料制成的膜形成的内壁上具有大量微孔的多孔结构形成多孔膜(步骤403)；

第七步，把所述多孔膜浸入到电解盐的水溶液中，用所述电解盐水溶液浸渍所述多孔膜，从而在构成所述多孔膜的所述微孔中储存所述电解盐(步骤404、405、406)。

8、如权利要求7所述的制作湿度敏感元件的方法，其中在第二步，作为成分重量比例，所述乳液中的所述第一聚合物材料与所述有机材料的成分比例为1∶10至3∶10。

9、如权利要求7所述的制作湿度敏感元件的方法，其中所述第一溶剂是水。

10、如权利要求7所述的制作湿度敏感元件的方法，其中所述第一聚合物材料为聚乙烯醇。

11、如权利要求7所述的制作湿度敏感元件的方法，其中所述的有机材料是乙酸乙烯酯。

12、如权利要求7所述的制作湿度敏感元件的方法，在第三步中，通过加入抑制剂，使所述有材料聚合，该抑制剂阻止所述第一聚合物材料与所述有机材料共聚。

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