谐振式湿敏元件的感湿特性.doc

谐振式湿敏元件的感湿特性 第20卷第3期吉林大学学报(信息科学版)Vol120No13xx年8月JOURNAL OFJ IL IN UNIV ERSITY(IN FORMAT IONSC IENCEED ITION)A ug.xx:167125896 (xx)03xx1204谐振式湿敏元件的感湿特性全宝富,陈丽华,林翔,刘凤敏(吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130023)摘要:以甲基丙烯酸丁脂(Bu)和甲基丙烯酰羟乙基三甲基氯化铵(Q b)聚合而成的高分子材料为敏感膜制成了石英谐振式湿敏元件。 研究了不同材料配比、制备方法对器件的湿敏性能的影响。 实验表明,该湿敏器件感湿范围宽、湿滞回差小(RH2%,RH:Relative Hum idity)具有良好的选择性和快速的响应恢复特性。 关键词:湿度传感器;选择性;甲基丙烯酸丁酯;谐振式:TP21212:A前言随着传感器技术的发展,利用石英谐振原理制作的各类传感器不断涌现。 自1964年W1H1King首次报导了石英振子式湿敏元件以来1,这种结构的传感器件在气、湿敏领域得到了迅速的发展,石英谐振式NH 3、NO 2、SO 2、CO2等敏感器件已陆续报导25。 笔者研究了以甲基丙烯酸丁酯(Bu)和甲基丙烯酰羟乙基三甲基氯化铵(Q b)聚合而成的高分子材料为感湿膜的石英谐振式湿敏器件的特性。 1器件的结构及工作原理石英谐振式湿敏器件的结构如图1所示。 在石英晶片两侧面上利用蒸发、溅射等方法形成适当厚度的A u膜,作出电极引线,在两面的A u膜电极上涂覆面积适当的高分子感湿膜材料,即可制成谐振式高分子湿敏器件。 石英振子的谐振频率的变化(?f)与所吸附的水汽质量(?m)间有如下关系?f=-C f(f2o A)?m式中:f o为石英谐振器的基频(这里f o=10M Hz),A为感湿膜的面积,C f为质量灵敏度系数(这里C f=2122610-10(cm2s?g)。 对于给定的石英谐振器,f oA、C f均为常数。 因而环境湿度越大,感湿膜上吸附的水汽越多,?m越大。 从而,引起的谐振频率变化?f越大。 故可依此关系测量环境的相对湿度。 2实验211高分子聚合物的制备用甲基丙烯酸丁酯(Bu)溶解过氧化苯甲酰(BPO)引发剂,加入适量乙醇搅拌形成均匀的溶液。 装入三颈瓶中,搅拌加热。 将甲基丙烯酰羟乙基三甲基氯化铵(Q b)用乙醇溶解后,加入滴液漏斗中,在78下滴加Q b,经一段时间,加入无水乙醚后,可获得聚合物高分子材料沉淀。 其主要反应为:xx204201作者简介:全宝富(1945),男,辽宁辽中人,吉林大学教授,博士生导师,主要从事电子功能材料及传感器件研究。 CH2CHCH3COO(CH2)2CH3+CH2CCH3COOCH2CH2N+Cl(CH3)3(CH2CH)nCH3COO(CH2)2CH3(CH2CH)mCH3COOCH2CH2N+Cl(CH3)3212湿敏器件制作表1饱和盐与相对湿度Tab11Saturation saltsand theirrelative hum idity饱和盐名称相对湿度RH?%饱和盐名称相对湿度RH?%L iCl11N aCl75M gCl233K2SO498M g(NO3)254取高分子聚合物少许,加入适量的乙醇溶液溶解,再将其涂在金电极上,烘干即可形成一定厚度的高分子感湿膜,然后测量其湿敏特性。 实验中相对湿度(RH)由饱和盐提供。 如表1所示。 3实验结果及讨论1)材料配比对感湿特性的影响实验发现,在感湿高分子材料合成过程中,材料的配比和滴加过程对器件的感湿性能有明显影响,表2给出了3种不同配比和滴加方式的感湿膜材料。 表2不同配比和滴加方式的感湿材料Tab12D ifferentratio anddrop method ofhum idity sensitive materials标号原料配比滴加方式(Q b)ABuQ b=73Q b分次滴加BBuQ b=73Q b一次连续滴加CBuQ bQ c=523Q b一次连续加入用上述材料制作的湿敏器件的感湿特性示于图2中。 由图2看出用A材料制作的器件,感湿特性曲线形状很好,频差?f随相对湿度变化稍小些,湿滞回差即RH2%。 用B材料制作的图2湿敏元件的感湿特性曲线Fig12Hum iditycharacteristic curveof sensors器件的频差?f随相对湿度变化明显,具有高的灵敏度,湿滞回差只有RH1%。 这两种材料配比相同,只是加入Q b的方式不同。 A是分次加入的,而B是一次连续加入的,这可能使材料的聚合更为均匀。 C材料中除Bu和Q b外,在聚合时还加入了交联剂丙烯酸羟乙酯Q c。 C材料制作的器件在低湿(小于等于RH50%)范围灵敏度较低,而在大于等于RH50%的高湿范围灵敏度很高。 同时具有良好的选择性和较好的稳定性。 这点将在下面的论述中看出。 21吉林大学学报(信息科学版)第20卷图3湿敏元件的选择性Fig13Selectivity of hum idity sensors2)湿敏器件的选择性图3给出了A、B、C3种不同配比材料制作的湿敏器件对浓度均为100010-6(体积分数)的C4H 10、CH 4、H 2、CO气体的影响特性。 由图3不难看出,C材料制作的器件对这几种气体的频差?f变化都很小,具有良好的选择性。 相比之下,A、B材料制作的器件对这几种气体的频差?f变化稍大些,但相对器件的敏感程度来说,这种变化还是很小的。 3)响应恢复特性实验测量表明,A、B、C3种配比材料制作的湿敏器件对湿度均有快速的响应恢复特性。 图4给出了C材料制作的器件在RH(1175)%范围的响应恢复曲线,在此范围内,响应时间约3s(63%计),恢复时间小于5s。 4)器件的稳定性图5给出了B、C两种材料制作的湿敏器件在RH33%中的经时特性,由图5看出,B材料制作的器件具有更好的稳定性,在近60天的测量中,频差的变化小于15Hz。 C材料制作的器件,在测量初期频差有一较大的变化,然后趋于稳定。 图4湿敏元件的响应特性图5湿敏元件的稳定特性Fig14Response characteristicsof hum iditysensorsFig15Stability ofhum iditysensors4结论以Bu和Q b的聚合物作为感湿膜制成的石英谐振式湿敏器件,其感湿特性依材料配比和滴加方式不同而有所不同。 其中以BuQ b=73一次连续滴加Q b的B材料制成的器件具有更好的感湿特性。 不仅感湿灵敏度高,而且表现出良好的选择性和稳定性。 参考文献:1King JrWH.Piezoecletric SorptionDetectorJ.A nalChem,1964,36:17351739.2H lawayJ,Guilbault GG.Detection of Ammonia inAmbient AirW ithCoated Piezoelectric CrystalDetectorJ.A nalChem,1978,50:10441046.3Karmarkar KH,Guilbault GG.The DetectionofAmmoniaand Nitrogen D ioxide atthe PartsPer BillionL evelWith CoatingPiezoelectric CrystalDetectorJ.A nalChem Acta,1975,75:111117.4Chenay J,Norwood T,Homolya J.The Detectionof SulfurDioxideU tilizinga Piezo2Electric CrystalCoating withEthylenedinitrilote TraethandlJ.A nalLett,1976,9:361377.5Tom itaY,Guilbault GG.Coating forPiezoelectricCrystalSensitive toO rganopho2Sphorus PesticidesJ.A nal31第3期全保富,等:谐振式湿敏元件的感湿特性Chem,1980,52:14841489.Resonace typehumiditysensors andits characteristicsQUANBao2fu;CHEN Li2hua;LINXiang;L IUFeng2m in(Dept.of ElectronicScience andEng.,Jilin University,Changchun130023,China)Abstract:Resonance typehumiditysensors werefabricated with polymerposed ofmethacrylatebutyl(Bu)and methacryloyhydroxyethyltrimethyl ammoniumchloride(Q b)as Sensingfilm.It wasstudiedthat positionand syntheticmethodofmaterials effecton characteristicsofhumiditysen2sors.Results showthat thosesensors respondedto humidity inw iderange,hysteresis of 关键词:面向对象;标准建模语言;类图;图素;实体关系图;映射中国分类号:TP311113半导体激光器恒温系统P I控制部件的设计张娜,罗清龙,邓军,单江东,田小建(吉林大