Датчик относительной влажности воздуха на основе тонкой пленки полианилина Российский патент 2023 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройству на основе органических влагочувствительных элементов и датчику влажности, содержащему такие влагочувствительные элементы.

Известен датчик влажности на диэлектрической подложке со взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые наносится чувствительное покрытие из смеси двух полимеров - полисиланоанилина и полианилина в соотношении 9:1. [Патент РФ N 2 088 914 С1, МПК G 01 N 27/30. Дата опубликования 27.08.1997].

К недостаткам такого датчика относится необходимость поддержания окислительно-восстановительного состояния. Также недостатком является использование хромовых контактов, сложных в изготовлении.

Известно изобретение - датчик влажности полимерного резисторного типа из водной дисперсии нанополианилина. Датчик имеет керамическую подложку, множество фотомасок для создания взаимопроникающих гребенчатых золотых электродов, на эти золотые электроды наносят чувствительную к влаге тонкую пленку, чувствительная к влаге тонкая пленка представляет собой композитный высокомолекулярный влагочувствительный материал из нанополианилина и поливинилового спирта (ПВС) в воде. [Патент CN101799441A. МКП G 01 N 27/12. Дата опубликования 11.08.2010].

К недостаткам такого датчика относятся его дорогостоящие золотые контакты, сложное синтезирование влагочувствительного материала в виде нанотрубок полианилина.

Наиболее близким к предложенному является датчик для анализа газообразных веществ, в котором на взаимопроникающие гребенчатые электроды нанесено чувствительное покрытие в виде пленки, состоящей из смеси трех проводящих полимеров: полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 7:4:2. [Патент РФ N 2 209 424. МКП G 01 N 27/12. Дата опубликования 27.07.2003].

К недостаткам такого датчика относятся необходимость дополнительной настройки селективного изменения электрофизических параметров синтезированного чувствительного покрытия при воздействии на него инфракрасного излучения определенной длины волны, сложность технологии формирования комплексного сорбента.

Задача изобретения - обеспечение большого диапазона измеряемой относительной влажности воздуха, хорошей линейности вольт-амперных характеристик, высокой скорости реакции и низкого гистерезиса, уменьшение энергопотребления при измерении относительной влажности воздуха и упрощение изготовления датчика влажности.

Технический результат изобретения - это быстрое измерение в большом диапазоне относительной влажности воздуха.

Задача решается, а технический результат достигается тонкопленочным органическим датчиком относительной влажности воздуха, выполненным на диэлектрической подложке с нанесенными на нее токовыми взаимопроникающими контактами гребенчатого вида из меди, на которые нанесена влагочувствительная пленка проводящего полимера, которая в отличие от предыдущего, выполнена на основе производной полианилина, а именно поли-2-[(2E)-1-метил-2-бутен-1-ил]анилина.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид датчика относительной влажности воздуха. На фиг. 2 изображен градуировочный график датчика.

На фиг. 1 представлен датчик, который состоит из: подложки из ситалла 1, на которой расположены взаимопроникающие гребенчатые электроды 2 из меди с зазором 50 мкм и пленка 3 из влагочувствительного вещества - производная полианилина поли-2-[(2E)-1-метил-2-бутен-1-ил]анилина.

На фиг. 2 показана градуировочная вольт-амперная характеристика датчика. Датчик относительной влажности воздуха для измерения влажности работает следующим образом. На датчик подается постоянное напряжение и измеряется протекающий ток через пленку полианилина. Под действием влажности изменяется ток, значения которого отградуированы в процентах относительной влажности воздуха.

Все измерения параметров датчика проводились при комнатной температуре, в качестве газа-носителя использовался воздух. Градуировочная характеристика измерена в интервале относительной влажности 10-90%. Зависимость тока, протекающего через датчик, от относительной влажности является практически линейной. Средняя чувствительность датчика составляет величину, равную 125 нА/%.

Время срабатывания датчика не превышает 10 с. Определяется экспериментально, путем резкого уменьшения влажности в испытательной камере.

Изготовление тонкопленочного органического датчика включает следующие этапы:

1) чистку поверхности подложки в ультразвуковой ванне, сушку в печи;

2) термическое напыление в вакууме взаимопроникающих контактов гребенчатого вида из меди;

3) создание тонкой пленки производной полианилина в области зазора между контактами методом центрифугирования, полимеризацию полианилина в печи.

Изобретение имеет ряд преимуществ, заключающихся в том, что:

1) производная полианилина, а именно поли-2-[(2E)-1-метил-2-бутен-1-ил]анилин, отличается тем, что его использование повышает селективность датчика влажности в смеси с другими газами;

2) вольт-амперные характеристики имеют линейный характер во всем диапазоне измерения относительной влажности воздуха;

3) производная полианилина имеет большую удельную площадь поверхности, что полезно для поглощения и десорбции влаги из окружающей среды, тем самым ускоряется поглощение влаги и скорость отклика на осушение, и время отклика короче;

4) процесс подготовки чувствительного к влаге материала прост, а стоимость материала имеет меньшую цену, подходит для серийного производства;

5) упрощение изготовления датчика за счет применения только одной пары взаимопроникающих контактов гребенчатого вида;

6) чувствительная пленка полианилина не требует нагрева, также после проведения измерений быстро самовосстанавливается и готова к следующему измерению. Из-за отсутствия затрат энергии на нагрев и поддержание окислительно-восстановительной реакции увеличивается энергоэффективность датчиков на основе поли-2-[(2E)-1-метил-2-бутен-1-ил]анилина.

Итак, заявляемое изобретение позволяет обеспечить большой диапазон измеряемой относительной влажности воздуха, имеет хорошую линейность вольт-амперной характеристики, высокую скорость реакции и низкий гистерезис, также характеризуется малым энергопотреблением и упрощенной технологией изготовления датчика влажности.

Изобретение относится к области измерительной техники. Тонкопленочный органический датчик относительной влажности воздуха согласно изобретению выполнен на диэлектрической подложке с нанесенными на нее токовыми взаимопроникающими контактами гребенчатого вида из меди, на которые нанесена пленка проводящего полимера, при этом пленка полимера выполнена на основе производной полианилина - поли-2-[(2E)-1-метил-2-бутен-1-ил]анилина. Изобретение обеспечивает быстрое измерение в большом диапазоне относительной влажности воздуха. 2 ил.

Тонкопленочный органический датчик относительной влажности воздуха, выполненный на диэлектрической подложке с нанесенными на нее токовыми взаимопроникающими контактами гребенчатого вида из меди, на которые нанесена пленка проводящего полимера, отличающийся тем, что пленка выполнена на основе производной полианилина, а именно поли-2-[(2E)-1-метил-2-бутен-1-ил]анилина.