專利名稱：一種安培型濕度傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種安培型濕度傳感裝置及其應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
濕度傳感裝置按檢測的信號的不同，可分為電容型濕度傳感裝置(CN1220393A)、電阻型濕度傳感裝置(CN1431489A)、重量諧振型濕度傳感裝置和光纖型濕度傳感裝置(CN1036635A)等。其中電學(xué)信號的測量由于其工作方式簡單、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而尤其受到關(guān)注。然而常見的電阻型或電容型濕度傳感裝置需要使用交流信號來進(jìn)行測量，從而使儀器的成本相對較高。電流型傳感裝置具有設(shè)備簡單、抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)信號呈線性等優(yōu)點(diǎn)。而且，常規(guī)的電流型傳感裝置通常以檢測對象的電化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)信號，然而水分子的電化學(xué)分解電壓較高且受電極表面性質(zhì)的影響較大等特點(diǎn)，直接進(jìn)行電流測定勢必會有很多電活性物質(zhì)對測定產(chǎn)生干擾。文獻(xiàn)檢索尚未發(fā)現(xiàn)有通過加入可逆氧化還原電對(如四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、或苯醌等有機(jī)電活性物質(zhì)、或者其衍生物；二茂鐵、鐵氰化鉀、四氨合釕、金屬卟啉、金屬酞菁等電活性金屬配合物、或者其衍生物)作為電化學(xué)探針，利用水分子對離子液體性質(zhì)的影響，進(jìn)而影響濕敏元件的充電電流和電化學(xué)探針的反應(yīng)電流從而實(shí)現(xiàn)對濕度的檢測的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
所要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供安培型濕度傳感裝置及其應(yīng)用方法，以克服現(xiàn)有需要使用交流信號來進(jìn)行測量從而使儀器的成本相對較高、設(shè)備復(fù)雜、抗干擾性差、響應(yīng)信號非線性范圍等的缺陷。
技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案之一是提供一種安培型濕度傳感裝置，其組成為含有室溫離子液體和電化學(xué)探針的濕敏元件、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)，通過濕敏元件的充電電流和電化學(xué)探針的反應(yīng)電流從而實(shí)現(xiàn)對濕度的檢測。
上述的安培型濕度傳感裝置的優(yōu)選方案之一為，所述的室溫離子液體選自烷基咪唑類、烷基吡啶類、季銨鹽類、季磷鹽類或苯并咪唑類離子液體中的一種或一種以上。優(yōu)選所述的室溫離子液體選自[1-乙基-3甲基咪唑][四氟硼酸]、[1-丁基-3甲基咪唑][六氟磷酸]、[1-奎基-3-甲基][四氟硼酸]、[N-丁基吡啶][六氟磷酸]、[N-丁基吡啶][四氟硼酸]、[N-庚基吡啶][六氟磷酸]、[二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲基苯磺酸]、[三乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲苯磺酸]、[二乙醇基磺酸丁基銨][硫酸氫]、[四丁基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[三丁基甲基磷][甲磺酸]、[三丁基十四烷基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][四氟硼酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][[六氟磷酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][對甲基苯磺酸]中的一種或一種以上。
上述的安培型濕度傳感裝置的優(yōu)選方案之二為，所述的電化學(xué)探針為溶解于室溫離子液體的氧化還原電對。優(yōu)選所述的氧化還原電對選自四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、二茂鐵、苯醌、二茂鐵、鐵氰化鉀、四氨合釕、金屬卟啉、金屬酞菁，或者其衍生物。
本發(fā)明的技術(shù)方案之二是提供一種空氣濕度的檢測方法，包括利用組成為含有室溫離子液體和電化學(xué)探針的濕敏元件、信號放大電路、檢測回路和參比回路的濕度傳感裝置，通過對濕敏元件的充電電流和電化學(xué)探針的反應(yīng)電流的測定從而實(shí)現(xiàn)對濕度的檢測。
上述的空氣濕度的檢測方法的優(yōu)選方案之一為，所述的室溫離子液體選自烷基咪唑類、烷基吡啶類、季銨鹽類、季磷鹽類、或苯并咪唑類離子液體中的一種或一種以上。優(yōu)選所述的室溫離子液體選自[1-乙基-3甲基咪唑][四氟硼酸]、[1-丁基-3甲基咪唑][六氟磷酸]、[1-奎基-3-甲基][四氟硼酸]、[N-丁基吡啶][六氟磷酸]、[N-丁基吡啶][四氟硼酸]、[N-庚基吡啶][六氟磷酸]、[磺酸丙基乙醇基二甲基銨][對甲基苯磺酸]、[磺酸丙基三乙醇基銨][對甲苯磺酸]、[二乙醇基磺酸丁基銨][硫酸氫]、[四丁基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[三丁基甲基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[三丁基十四烷基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][四氟硼酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][[六氟磷酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][對甲基苯磺酸]中的一種或一種以上。
上述技術(shù)方案在實(shí)施中，選用的氧化還原探針可以不限于四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、苯醌及等有機(jī)電活性物質(zhì)其衍生物；二茂鐵、鐵氰化鉀、四氨合釕、金屬卟啉、金屬酞菁等電活性金屬配合物及其衍生物。通常要求該電化學(xué)探針是電化學(xué)可逆性好、在離子液體中溶解性較高，及氧化還原態(tài)都穩(wěn)定的氧化還原電對。
上述技術(shù)方案在實(shí)施中，室溫離子液體中加入可逆的氧化還原電對(如四氰基對醌二甲烷)作為電化學(xué)探針，并將功能復(fù)合材料如四氰基對醌二甲烷的離子液體溶液吸附在多孔聚乙烯薄膜中，實(shí)現(xiàn)室溫離子液體的固定化。因空氣中濕度的變化，使得溶解在離子液體中的水量發(fā)生變化，并導(dǎo)致離子液體的粘度、導(dǎo)電性等理化性質(zhì)發(fā)生變化，改變了電活性物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和電極的雙電層電容，從而使測得的電流信號與相對濕度成良好的線性關(guān)系。
上述技術(shù)方案在實(shí)施中，采用電流為傳感裝置的檢測信號，所述的電流檢測信號可以是循環(huán)伏安、微分脈沖、方波伏安等方法的電流信號。
有益效果本發(fā)明是一種新型的安培型濕度傳感裝置。其特點(diǎn)是1)以室溫離子液體作為傳感裝置的濕度敏感材料。其中所選用的室溫離子液體可以是各種常見的親水性的烷基咪唑類、烷基吡啶類、季銨鹽類及季磷類等室溫離子液體。且該離子液體可以被固定在離子液體的容器、可固定化離子液體的膜、可吸附離子液體的絮狀載體、或者硅片所構(gòu)成的離子液體載體內(nèi)。由于可采用的離子液體的多樣性，所以可以制備多種多樣的濕度敏感特性的敏感膜；作為具有確切分子結(jié)構(gòu)的均相敏感材料，使用室溫離子液體可以有效地提高濕敏元件間的互換性，該性能對批量生產(chǎn)具有顯著的優(yōu)勢。
2)以可逆的氧化還原電對作為傳感裝置的電化學(xué)探針。其中選用的氧化還原探針可以選自四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、二茂鐵、或苯醌，或者其衍生物，這些電化學(xué)探針的電化學(xué)可逆性好、在離子液體中溶解性較高、氧化還原態(tài)都相對穩(wěn)定。室溫離子液體中加入上述可逆的氧化還原電對(如四氰基對醌二甲烷)作為電化學(xué)探針，可因空氣中濕度的變化，使溶解在離子液體中的水量發(fā)生變化，并導(dǎo)致離子液體的粘度、導(dǎo)電性等理化性質(zhì)發(fā)生變化，改變了電活性物質(zhì)(如四氰基對醌二甲烷)的擴(kuò)散系數(shù)和電極的雙電層電容，從而使測得的電流信號與相對濕度成良好的線性關(guān)系。所以，本發(fā)明的濕度傳感裝置具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、制作方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
3)采用電流為傳感裝置的檢測信號。具有其工作方式簡單、響應(yīng)靈敏度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，使用直流信號來進(jìn)行測量，可以使儀器的成本大大下降，且電流型傳感裝置具有設(shè)備簡單、抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)信號呈線性及線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的安培型濕度傳感裝置制作方便、易于工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)。


圖1濕度傳感裝置系統(tǒng)示意圖。1氣體鋼瓶；2裝有蒸餾水的洗氣瓶；3氣體混合器；4濕度傳感器；5氣室；6電流回路；7電化學(xué)工作站；8計(jì)算機(jī)。
圖2為濕度傳感部件的不同形式示意圖。1固定化室溫離子液體膜；2電極；3硅片。
圖3為氮?dú)?實(shí)線)和氧氣(虛線)氣氛中在干燥(a)和水飽和(b)條件下TCNQ在離子液體中的循環(huán)伏安響應(yīng)。
圖4濕度傳感裝置為氮?dú)鈿夥障?，不同相對濕度時(shí)的循環(huán)伏安圖。從a到f，相對濕度分別為0％，20％，40％，60％，80％，100％。
圖5為濕度傳感裝置循環(huán)伏安響應(yīng)中的還原峰電流與相對濕度的關(guān)系圖。
圖6為濕度傳感裝置在連續(xù)8次干燥和水飽和氣氛轉(zhuǎn)換過程中，在水飽和氣氛下的穩(wěn)定循環(huán)伏安圖。
圖7為濕度傳感裝置在連續(xù)8次干燥和水飽和氣氛轉(zhuǎn)換過程中，在干燥氣氛下的穩(wěn)定循環(huán)伏安圖。
圖8為濕度傳感裝置在氮?dú)鈿夥罩校煌鄬穸认碌奈⒎置}沖伏安圖。從a到f，相對濕度分別為0％，20％，40％，60％，80％，100％。
圖9為濕度傳感裝置在氮?dú)鈿夥罩校⒎置}沖響應(yīng)中的氧化與還原電流之差與相對濕度的關(guān)系圖。
圖10為濕度傳感裝置在氧氣氣氛中，不同相對濕度時(shí)的微分脈沖伏安圖。從a到f，相對濕度分別為0％，20％，40％，60％，80％，100％。
圖11為濕度傳感裝置在氧氣氣氛下，微分脈沖響應(yīng)中的氧化與還原電流之差對相對濕度含量作圖。
圖12為濕度傳感裝置由干燥氣氛轉(zhuǎn)換成水飽和氣氛時(shí)的連續(xù)10圈微分脈沖伏安圖。
圖13為濕度傳感裝置由水飽和氣氛轉(zhuǎn)換成干燥氣氛時(shí)的連續(xù)10圈微分脈沖伏安圖。
圖14為濕度傳感裝置在連續(xù)8次干燥和水飽和氣氛轉(zhuǎn)換過程中，在水飽和氣氛下的穩(wěn)定微分脈沖伏安圖。
圖15為濕度傳感裝置在連續(xù)8次干燥和水飽和氣氛轉(zhuǎn)換過程中，在干燥氣氛下的穩(wěn)定微分脈沖伏安圖。
圖16為濕度傳感裝置氮?dú)鈿夥罩?，不同相對濕度下的方波伏安圖。從a到f，相對濕度分別為0％，20％，40％，60％，80％，100％。
圖17為濕度傳感裝置在氮?dú)鈿夥障?，方波伏安圖中氧化與還原電流之差與相對濕度的關(guān)系圖。
圖18為濕度傳感裝置在連續(xù)8次干燥和水飽和氣氛轉(zhuǎn)換過程中，在水飽和氣氛下的穩(wěn)定方波伏安圖。
圖19為濕度傳感裝置在連續(xù)8次干燥和水飽和氣氛轉(zhuǎn)換過程中，在干燥氣氛下的穩(wěn)定方波伏安圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，如操作手冊，或按照制造廠商所建議的條件。部分室溫離子液體的制備方法根據(jù)中國專利申請200610025808.0《一種雙功能團(tuán)化離子液體及制備方法》。
實(shí)施例11-乙基-3-甲基咪唑溴鹽的制備室溫、攪拌條件下，將9.1ml的溴乙烷(0.126mol)緩慢滴加到10ml的N-甲基咪唑中，24h后，用乙酸乙脂洗滌3次后，過濾，真空干燥。反應(yīng)方程式 實(shí)施例2[1-乙基-3-甲基咪唑][四氟化硼酸]離子液體的制備室溫、快速攪拌條件下，將HBF4酸(15.2cm30.116mol)緩慢的加入Ag2O泥漿中(13.49g 0.058molAg2O溶入50cm3水中)，快速攪拌。反應(yīng)的容器用鋁箔包住，防止光降。再攪拌1h，直至Ag2O完全反應(yīng)，得到無色溶液。將22.24g0.116mol的實(shí)施例1中所得到的1-乙基-3-甲基咪唑內(nèi)鹽加入其中，室溫下攪拌2h，過濾，分離。70℃下，真空干燥，產(chǎn)物為白色液體。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例31-丁基-3-甲基咪唑溴鹽的制備室溫、攪拌條件下，將6.46ml正溴丁烷(0.06mol)緩慢滴入4.76ml的N-甲基咪唑中，24h后，用乙酸乙脂洗滌3次。過濾，真空干燥。反應(yīng)方程式為
實(shí)施例4[1-丁基-3甲基咪唑][六氟磷酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將KPF6緩慢加入等摩爾的1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽水溶液中，再用超純水20ml洗滌5次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例51-奎基-3-甲基咪唑溴鹽的制備室溫、攪拌條件下，將1.32g正奎溴丁烷(0.06mol)緩慢滴入4.76ml的N-甲基咪唑中，24h后，取下層溶液，用乙酸乙脂洗滌3次，再用超純水20ml洗滌5次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例6[1-奎基-3-甲基咪唑][四氟硼酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將NaBF4緩慢加入等摩爾的1-奎基-3-甲基咪唑溴鹽水溶液中，12小時(shí)后，再用超純水20ml洗滌5次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例7N-丁基吡啶溴鹽的制備室溫下磁力攪拌，將正溴丁烷緩慢滴加到等摩爾的吡啶溶液中，24小時(shí)后，用乙酸乙脂洗滌3次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例8[N-丁基吡啶][四氟硼酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將NaBF4緩慢加入等摩爾的N-丁基吡啶溴鹽的水溶液中，12小時(shí)后，用二氯甲烷萃取，再用超純水20ml洗滌5次，旋蒸蒸發(fā)后真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例9[N-丁基吡啶][六氟磷酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將KPF6緩慢加入等摩爾的N-丁基吡啶溴鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取下層溶液，每次用超純水20ml萃取5次，旋蒸蒸發(fā)后真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例10N-庚基吡啶溴鹽的制備室溫下磁力攪拌，將正溴庚丁烷緩慢滴加到等摩爾的吡啶溶液中，24小時(shí)后，用乙酸乙脂洗滌3次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例11[N-庚基吡啶][六氟磷酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將KBF6緩慢加入等摩爾的N-丁基吡啶溴鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取有機(jī)相，再用超純水20ml洗滌5次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例12磺酸丙基乙醇基二甲基銨內(nèi)鹽的制備冰浴、攪拌條件下，將8.8mL 1，3-丙烷磺酸內(nèi)酯(0.1mol)緩慢滴加到含10.1mL N，N-二甲基乙醇胺(0.1mol)的30mL丙酮混合溶液中，即反應(yīng)原料的摩爾比為1∶1，很快有白色固體析出，1小時(shí)后，將白色固體用丙酮、乙醚洗滌3次，過濾，50℃下真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例13[磺酸丙基乙醇基二甲基銨][對甲基苯磺酸]離子液體的制備冰浴、攪拌條件下，將1.95g(0.01mol)實(shí)施例12所得的二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨內(nèi)鹽和1.81g對甲苯磺酸(0.01mol)混合，3小時(shí)后，加熱到70℃至全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為無色透明液體，反應(yīng)方程式為 實(shí)施例14[磺酸丙基乙醇基二甲基銨][三氟甲基磺酸]離子液體的制備N2氣氛、冰浴、電動攪拌條件下，將1.80mL的三氟甲磺酸(0.02mol)緩慢滴加到4.23g(0.02mol)實(shí)施例12所得的二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨內(nèi)鹽中，12小時(shí)后，加熱到50℃至全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為淡黃色透明液體，反應(yīng)方程式為 實(shí)施例15[磺酸丙基乙醇基二甲基銨][硫酸氫]離子液體的制備冰浴、攪拌條件下，將0.8mL的濃硫酸(0.014mol)緩慢滴加到3.04g所得到實(shí)施例12所得的二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨內(nèi)鹽(0.014mol)中，3小時(shí)后加熱至85℃，10小時(shí)后全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為淡黃色透明液體，反應(yīng)方程式為 實(shí)施例16三乙醇基磺酸丙基銨內(nèi)鹽的制備冰浴、攪拌條件下，將13.2mL1，3-丙烷磺酸內(nèi)酯(0.15mol)緩慢滴加到含25.5mL三乙醇胺(0.15mol)的甲苯(30mL)混合溶液中，1天后，有白色固體生成，用甲苯、乙醚洗滌3次后，過濾，50℃真空干燥。反應(yīng)方程式為
實(shí)施例17[磺酸丙基三乙醇基銨][對甲苯磺酸]離子液體的制備冰浴、攪拌條件下，將由實(shí)施例16所得到的三乙醇基3-磺酸丙基銨內(nèi)鹽7.76g(0.028mol)和5.16g對甲苯磺酸(0.028mol)混合，3小時(shí)后，加熱到70℃至全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為無色透明液體，反應(yīng)方程式為 實(shí)施例18[磺酸丙基三乙醇基銨][三氟甲基磺酸]離子液體的制備N2氣氛、冰浴、攪拌條件下，將2.6mL的三氟甲磺酸(0.029mol)緩慢滴加到由實(shí)施例16所得到的7.8g(0.029mol)三乙醇基3-磺酸丙基銨內(nèi)鹽中，12小時(shí)后，加熱到50℃至全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為淡黃色透明液體，反應(yīng)方程式為
實(shí)施例19[磺酸丙基三乙醇基銨][甲基磺酸]離子液體的制備冰浴、攪拌條件下，將2.0mL的甲烷磺酸(0.03mol)緩慢滴加到8.60g(0.03mol)由實(shí)施例16所得到的三乙醇基3-磺酸丙基銨內(nèi)鹽中，3小時(shí)后，加熱到70℃至全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為無色透明液體，反應(yīng)方程式為 實(shí)施例20二乙醇基磺酸丁基銨內(nèi)鹽的制備室溫、攪拌條件下，將9.6mL的二乙醇胺(0.1mol)分散于20mL甲苯溶液中，再緩慢滴加10.23mL的1，4-磺酸內(nèi)酯(0.1mol)后，加熱至50℃，15小時(shí)后有白色固體生成，將白色固體用乙醇洗滌3次，過濾，50℃下真空干燥。反應(yīng)方程式為
實(shí)施例21[二乙醇基磺酸丁基銨][硫酸氫]離子液體的制備冰浴、攪拌條件下，將0.65mL的濃硫酸(0.012mol)緩慢滴加到所得到的2.81g由實(shí)施例20得到的二乙醇基磺酸丁基銨內(nèi)鹽(0.012mol)中，3小時(shí)后加熱至70℃，6小時(shí)后全部變?yōu)橐后w，冷卻后真空干燥。產(chǎn)物為無色透明液體，反應(yīng)方程式為 實(shí)施例22溴化三丁基十四烷基磷鹽的制備室溫下磁力攪拌，將正溴十四烷緩慢滴加到等摩爾的三丁基磷溶液中，24小時(shí)后，用乙酸乙脂洗滌3次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例23[十四烷基三丁基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將二-(三氟甲基)磺酰亞胺鋰緩慢加入等摩爾的溴化三丁基十四烷基磷鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取下層溶液，每次用超純水20ml萃取5次，旋蒸蒸發(fā)后真空干燥。
實(shí)施例24碘化三丁基甲基磷鹽的制備室溫下磁力攪拌，將碘甲烷緩慢滴加到等摩爾的三丁基磷溶液中，24小時(shí)后，用乙酸乙脂洗滌3次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例25[三丁基甲基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將二-(三氟甲基)磺酰亞胺鋰緩慢加入等摩爾的碘化三丁基甲基磷鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取下層溶液，用超純水20ml洗滌5次，真空干燥。
實(shí)施例26溴化四丁基磷鹽的制備室溫下磁力攪拌，將正溴丁烷緩慢滴加到等摩爾的三丁基磷溶液中，24小時(shí)后，用乙酸乙脂洗滌3次，真空干燥。反應(yīng)方程式為
(CH3CH2CH2CH2)3P+CH3(CH2)13Br→(CH3CH2CH2CH2)4P+Br-實(shí)施例27[四丁基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將二-(三氟甲基)磺酰亞胺鋰緩慢加入等摩爾的溴化四丁基磷鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取下層溶液，每次用超純水20ml萃取5次，真空干燥。
(CH3CH2CH2CH2)4P+Br-+Li(CF3SO2)2N→(CH3CH2CH2CH2)4P+(CF3SO2)2N-實(shí)施例28溴化1-丁基-3-乙基苯并咪唑鹽的制備室溫下磁力攪拌，將正溴丁烷緩慢滴加到等摩爾的1-乙基苯并咪唑溶液中，24小時(shí)后，用乙酸乙脂洗滌3次，真空干燥。反應(yīng)方程式為 實(shí)施例29[1-丁基-3-乙基苯并咪唑][六氟磷酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將KPF6緩慢加入等摩爾的溴化1-乙基-3-丁基苯并咪唑鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取有機(jī)相，每次用超純水20ml洗滌萃取5次，真空干燥。
實(shí)施例30[1-丁基-3-乙基苯并咪唑][四氟磷酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將NaBF4緩慢加入等摩爾的溴化1-乙基-3-丁基苯并咪唑鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取有機(jī)相，每次用超純水20ml洗滌萃取5次，真空干燥。
實(shí)施例31[1-丁基-3-乙基苯并咪唑][六氟磷酸]離子液體的制備冰浴下磁力攪拌，將對甲苯磺酸鈉緩慢加入等摩爾的溴化1-乙基-3-丁基苯并咪唑鹽的水溶液中，12小時(shí)后，取有機(jī)相，每次用超純水20ml洗滌萃取5次，真空干燥。
實(shí)施例32固態(tài)三電極的制作將玻碳、銀和鉑分別用銀導(dǎo)電膠和銅絲連接作為工作電極、參比電極和對電極。用AB膠封裝成，如圖2A所示的固態(tài)三電極。
實(shí)施例33固態(tài)二電極的制作將玻碳和鉑分別用銀導(dǎo)電膠和銅絲連接作為工作電極和對電極。用AB膠封成如圖2B所示的固態(tài)二電極。
實(shí)施例34聚合物膜吸附型濕度傳感裝置取一定體積的實(shí)施例1-31制備的烷基咪唑類、烷基吡啶類、季銨鹽類、季磷鹽類、苯并咪唑類室溫離子液體溶液如[1-乙基-3甲基咪唑][四氟硼酸]、[1-丁基-3甲基咪唑][六氟磷酸]、[1-奎基-3-甲基][四氟硼酸]、[N-丁基吡啶][六氟磷酸]、[N-丁基吡啶][四氟硼酸]、[N-庚基吡啶][六氟磷酸]、[二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲基苯磺酸]、[三乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲苯磺酸]、[二乙醇基磺酸丁基銨][硫酸氫]、[四丁基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[三丁基甲基磷][甲磺酸]、[三丁基十四烷基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][四氟硼酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][[六氟磷酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][對甲基苯磺酸]。將四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、二茂鐵、苯醌、二茂鐵、鐵氰化鉀、四氨合釕、金屬卟啉、或金屬酞菁加入離子液體并溶解。分別將上述溶有氧化還原電對地離子液體吸附到多孔膜如聚乙烯膜、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚醋酸纖維素中，再將薄膜覆蓋實(shí)施例32，33所制備的電極或絲網(wǎng)印刷電極、氣相沉積金屬電極的表面，構(gòu)成濕敏部分，和電化學(xué)探針、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)一起，制成濕度傳感裝置。
實(shí)施例35硅片三電極濕度傳感裝置的制作在硅片或陶瓷片上，蒸鍍金或鉑等金屬薄膜作為工作電極、對電極。以激光蝕刻或化學(xué)刻蝕的方法，在硅片上刻蝕出一定大小的孔穴。將刻蝕過硅片與鍍金屬薄膜的硅片或陶瓷片熱壓鍵合，從而形成如圖所示的電極結(jié)構(gòu)。同實(shí)施例34，配置含電化學(xué)探針的離子液體溶液，并將其滴加入硅片凹槽中，構(gòu)成濕敏部分，和電化學(xué)探針、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)一起，制成硅片濕度傳感裝置。
實(shí)施例36聚合物凝膠型濕度傳感裝置的制作同實(shí)施例34配置含電化學(xué)探針的離子液體溶液，并將其按比例同聚偏氟乙烯、聚N，N-二甲基丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、或聚乙烯吡咯烷酮/醋酸乙烯共聚物等一起溶于碳酸丙烯酯或4-甲基-2-戊酮中，形成溶膠，將溶膠滴加于實(shí)施例32，33所制備的電極或絲網(wǎng)印刷電極、氣相沉積金屬電極的表面，真空干燥后構(gòu)成濕敏部分，和電化學(xué)探針、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)一起，制成聚合物凝膠型濕度傳感裝置。
實(shí)施例37硅凝膠型濕度傳感裝置的制作同實(shí)施例34配置含電化學(xué)探針的離子液體溶液，并將其按比例與水、乙醇、及正硅酸甲脂或正硅酸乙脂混合形成溶膠，再同實(shí)施例36將該溶膠滴加于實(shí)施例32，33所制備的電極或絲網(wǎng)印刷電極、氣相沉積金屬電極的表面，真空干燥后構(gòu)成濕敏部分，和電化學(xué)探針、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)一起，制成硅聚合物凝膠型濕度傳感裝置。
實(shí)施例38三明治型濕度傳感裝置的制作同實(shí)施例34配置含電化學(xué)探針的離子液體溶液，并將其浸漬于多孔陶瓷或多孔聚合物膜如聚乙烯膜、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚醋酸纖維素等之中。如圖所示，將其夾于碳紙或碳布之中，并以不銹鋼網(wǎng)、銅網(wǎng)等作為集電極，構(gòu)成濕敏部分，和電化學(xué)探針、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)一起，制成三明治型濕度傳感裝置。
實(shí)施例39離子液體型濕度傳感裝置的測試實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1所示。
1.將氮?dú)?氧氣)通入水中，制得水飽和N2(水飽和O2)，并與干燥氮?dú)庀嗷旌?、制得不同濕度的氣氛，通入傳感裝置的氣流流速為5L/min。
2.氧氣對濕度測定的干擾分別測定了以含2mM的四氰基對醌二甲烷的1-正丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸離子液體制成的濕度傳感裝置在干燥和水飽和條件下在氮?dú)夂脱鯕鈿夥障碌难h(huán)伏安響應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出無論是在干燥或水飽和條件下在氮?dú)夂脱鯕鈿夥障碌捻憫?yīng)幾乎一致，說明氧氣對濕度的測定沒有明顯的干擾。
3.采用電化學(xué)方法-循環(huán)伏安法(CV)測量傳感裝置對濕度的響應(yīng)圖4為氮?dú)鈿夥障?，不同水含量下的TCNQ的循環(huán)伏安圖，圖5為還原峰電流與相對濕度含量作圖成線性關(guān)系。采用相同的實(shí)驗(yàn)方法，即連續(xù)交替用水飽和N2和干燥N2通入傳感裝置，重復(fù)8次，同時(shí)測循環(huán)伏安法，相同情況下連續(xù)掃描20圈，考察傳感裝置的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。通過計(jì)算得到，水飽和N2下的響應(yīng)時(shí)間為38-42.5s，干燥N2下的響應(yīng)時(shí)間為33.5-38s。
圖6和圖7分別為水飽和N2和干燥N2下，8次的第20圈的CV圖。從圖中可以看出，采用循環(huán)伏安法，傳感裝置的穩(wěn)定性很好。通過計(jì)算可以得到，水飽和N2下，還原電流的平均值為-6.01×10-7，標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.7535×10-9，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4565％。干燥N2下，還原電流的平均值為-4.089×10-7，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8731×10-9，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.4581％。
4.采用電化學(xué)方法-示差脈沖伏安法(DPV)測量傳感裝置的響應(yīng)圖8和10分別為在氮?dú)夂脱鯕鈿夥障碌牟煌瑵穸认碌氖静蠲}沖伏安圖。將氧化電流與還原電流之差值對相對濕度作圖，成良好的線性關(guān)系(圖9和11)。表1為在不同濕度下，氧氣、氮?dú)鈿夥障碌倪€原氧化電流值和差值。由表可見不同氣氛下相同濕度時(shí)，TCNQ的還原氧化電流值基本一致，并且氮?dú)鈿夥障戮€性關(guān)系為Y＝2.23443+0.01576X；氧氣氣氛下線性關(guān)系為Y＝2.16181+0.01549X，兩者的線性方程也基本一致。說明氧氣對此傳感裝置沒有影響。
表1 在不同濕度下氧氣、氮?dú)鈿夥障碌腡CNQ的還原氧化電流值和差值


為了考察傳感裝置的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性，連續(xù)交替用水飽和N2和干燥N2通入傳感裝置，重復(fù)8次，同時(shí)測DPV，相同情況下連續(xù)掃描10圈。圖12和圖13分別為水飽和N2和干燥N2條件下，第6次的10圈變化情況，其它次數(shù)的情況類似。從圖中可以看出，水飽和N2下，還原氧化電流逐漸增大至達(dá)到穩(wěn)定；干燥N2下，還原氧化電流逐漸減小至達(dá)到穩(wěn)定。通過計(jì)算，可以得到此傳感裝置的響應(yīng)時(shí)間，在水飽和N2下為55.5-74s，在干燥N2下為92.5-111s。
相同氣氛下，重復(fù)8次的第10圈的DPV圖如圖14和圖15所示。通過計(jì)算可以得到，水飽和N2下，氧化與還原電流之差的平均值為3.5778 A，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.535×10-8，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.998％。干燥N2下，氧化與還原之差的平均值為1.5556×10-7，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.312×10-9，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.7719％。
5.采用電化學(xué)方法-方波伏安法(SWV)測量傳感裝置的響應(yīng)圖16為氮?dú)鈿夥障拢煌肯耇CNQ的循環(huán)伏安圖。圖17為氧化峰電流與還原峰電流之差值對相對濕度作圖，成好的線性關(guān)系。采用相同的實(shí)驗(yàn)方法，即，連續(xù)交替用水飽和N2和干燥N2通入傳感裝置，重復(fù)8次，同時(shí)測方波伏安法，相同情況下連續(xù)掃描10圈。通過計(jì)算得到，水飽和N2下的響應(yīng)時(shí)間為21-28s，干燥N2下的響應(yīng)時(shí)間為42-49s。
圖18和圖19為水飽和N2和干燥N2下，8次第10圈的SWV圖。通過計(jì)算可以得到，水飽和N2下，氧化峰電流與還原峰電流之差的平均值為4.184×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6023×10-8，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1000％。干燥N2下，氧化峰電流與還原峰電流之差的平均值為1.7254×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.143×10-8，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.401％。
權(quán)利要求
1.一種安培型濕度傳感裝置，其組成為含有室溫離子液體和電化學(xué)探針的濕敏元件、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)，通過濕敏元件的充電電流和電化學(xué)探針的反應(yīng)電流從而實(shí)現(xiàn)對濕度的檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安培型濕度傳感裝置，其特征在于，所述的室溫離子液體選自烷基咪唑類、烷基吡啶類、季銨鹽類、季磷鹽類或苯并咪唑類離子液體中的一種或一種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的安培型濕度傳感裝置，其特征在于，所述的室溫離子液體選自[1-乙基-3甲基咪唑][四氟硼酸]、[1-丁基-3甲基咪唑][六氟磷酸]、[1-奎基-3-甲基][四氟硼酸]、[N-丁基吡啶][六氟磷酸]、[N-丁基吡啶][四氟硼酸]、[N-庚基吡啶][六氟磷酸]、[二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲基苯磺酸]、[三乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲苯磺酸]、[二乙醇基磺酸丁基銨][硫酸氫]、[四丁基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[三丁基甲基磷][甲磺酸]、[三丁基十四烷基磷][二-(三氟甲基)磺酰亞胺]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][四氟硼酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][[六氟磷酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][對甲基苯磺酸]中的一種或一種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安培型濕度傳感裝置，其特征在于，所述的電化學(xué)探針為溶解于室溫離子液體的氧化還原電對。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的安培型濕度傳感裝置，其特征在于，所述的氧化還原電對選自四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、苯醌、二茂鐵、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀、四氨合釕、金屬卟啉、金屬酞菁，或者其衍生物。
6.一種空氣濕度的檢測方法，包括利用組成為含有室溫離子液體和電化學(xué)探針的濕敏元件、信號放大電路、檢測回路和參比回路的濕度傳感裝置，通過對濕敏元件的充電電流和電化學(xué)探針的反應(yīng)電流的測定從而實(shí)現(xiàn)對濕度的檢測。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣濕度的檢測方法，其特征在于，所述的室溫離子液體選自烷基咪唑類、烷基吡啶類、季銨鹽類、季磷鹽類或苯并咪唑類離子液體中的一種或一種以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣濕度的檢測方法，其特征在于，所述的室溫離子液體選自[1-乙基-3甲基咪唑][四氟硼酸]、[1-丁基-3甲基咪唑][六氟磷酸]、[1-奎基-3-甲基][四氟硼酸]、[N-丁基吡啶][六氟磷酸]、[N-丁基吡啶][四氟硼酸]、[N-庚基吡啶][六氟磷酸]、[二甲基乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲基苯磺酸]、[三乙醇基3-磺酸丙基銨][對甲苯磺酸]、[二乙醇基磺酸丁基銨][硫酸氫]、[四丁基磷][二-(三氟甲基)酰亞胺]、[三丁基甲基磷][甲磺酸]、[三丁基十四烷基磷][二-(三氟甲基)酰亞胺]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][四氟硼酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][[六氟磷酸]、[1-乙基-3-丁基苯并咪唑][對甲基苯磺酸]中的一種或一種以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣濕度的檢測方法，其特征在于，所述的電化學(xué)探針選自四氰基對醌二甲烷、N，N，N’，N’-四甲基對苯二胺、或苯醌、二茂鐵、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀、四氨合釕、金屬卟啉、金屬酞菁，或者其衍生物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于室溫離子液體的安培型濕度傳感裝置其檢測方法，其組成為含有室溫離子液體和電化學(xué)探針的濕敏元件、信號放大電路、檢測回路、參比回路、氣體系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)，通過濕敏元件的充電電流和電化學(xué)探針的反應(yīng)電流從而實(shí)現(xiàn)對濕度的檢測，其特點(diǎn)是在使用室溫離子液體作為濕度的敏感成分的基礎(chǔ)上，利氧化還原電對的可逆電化學(xué)性質(zhì)改變，實(shí)現(xiàn)電流型的濕度檢測?？朔爽F(xiàn)有的濕度傳感器互換性差，需要使用交流信號來進(jìn)行測量從而使儀器的成本相對較高、設(shè)備復(fù)雜、抗干擾性差、響應(yīng)信號線性范圍小等的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，以及性能穩(wěn)定、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N27/26GK101059475SQ200710041408
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者王榮, 朱國陽 申請人:上海師范大學(xué)