CN101059466A - 高分子电阻型湿度传感器元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高分子电阻型湿度传感器元件及其制造方法，所述的高分子电阻型湿度传感器元件包括多孔陶瓷基体；所述基体上、下表面分别布置有上、下表面电极，所述上、下表面电极上连接有引线；多孔陶瓷基体开孔中浸有感湿介质，以形成立体湿度感应薄膜。本发明的高分子电阻型湿度传感器元件制造工艺简单可靠、成本低、无需专有设备、易于批量生产，并且所生产的元件输出线性度高、湿滞回差小、耐高温、一致性好，同时具有优良的长期稳定性和极佳的化学气氛抵抗性。
Description
技术领域
本发明涉及湿度传感器，尤其是涉及一种高分子电阻型湿度传感器元件及其制造方法。
背景技术
今天人类已步入信息时代，如何真实而迅速地认识和处理各种信息已成为社会和人们的迫切需求。传感器作为捕捉信息的器件随之迅速发展，在现代高速信息社会的科学技术发展中占据相当重要的地位。湿度传感器是一类重要的化学传感器，在仓贮、工业生产、过程控制、环境监测、家用电器、气象等方面有着广泛的应用。目前，高分子型湿度传感器由于具有体积小、灵敏度高、响应快等特点，已经在很多领域获得应用。其中高分子电阻型湿度传感器，更以其良好的响应特性、测湿范围宽、制造简便、易于集成化、低成本等优点成为研究的热点。但高分子型温度传感器普遍存在一致性差、长期可靠性不够理想、耐高湿性差以及不耐化学气氛等缺点。多年来一直制约和阻碍了其实际应用和进一步发展。因此，探索新的高精度、高可靠性、长寿命的湿度敏感材料，改善和提高其稳定性、可靠性，已引起各国科学家的极大关注和兴趣，成为湿度传感器进一步发展的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分子电阻型湿度传感器元件及其制造方法，通过采用一种季铵化聚丙烯酸酯类高分子湿度敏感介质，在多孔陶瓷的开孔中物理的形成一种立体式网状薄膜，提高湿度传感器元件的长期可靠性及化学气氛抵抗性。同时使工艺流程简单、高效、可操作性强，以实现所述湿度传感器元件低成本、大批量的生产。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种高分子电阻型湿度传感器元件，包括多孔陶瓷基体；所述基体上、下表面分别布置有上、下表面电极，所述上、下表面电极上连接有引线；多孔陶瓷基体开孔中浸有感湿介质，以形成立体湿度感应薄膜。
所述多孔陶瓷基体为二氧化硅掺杂的三氧化二铝多孔陶瓷基体。
所述感湿介质包括季铵化丙烯酸酯单体聚合得到的聚合物或共聚物。
一种高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，包括如下步骤：
a.在多孔陶瓷基体的上、下表面分别布置上、下表面电极；
b.将多孔陶瓷基体浸入感湿介质，使基体的开孔中浸有感湿介质，形成立体湿度感应薄膜；
c.焊接引脚、裂片，得到湿敏元件；
d.对裂片后的湿敏元件进行老化处理，从而得到高分子电阻型湿度传感器元件。
所述多孔陶瓷基体为二氧化硅掺杂的三氧化二铝多孔陶瓷基体。
在步骤a之前还包括对所述多孔陶瓷基体进行清洁预处理的步骤。
在所述的步骤d之后还包括：e.对所述的传感器元件进行检测。
所述的老化处理是指：在40℃/70％RH环境下放置7天，然后在自然环境下放置15天。
步骤b借助真空环境进行。
所述感湿介质包括季铵化丙烯酸酯单体聚合得到的聚合物或共聚物。
本发明的有益效果在于，所述高分子电阻型湿度传感器元件制造工艺简单可靠、成本低、无需专有设备、易于批量生产，并且所生产的元件输出线性度高、湿滞回差小、耐高温、一致性好，同时具有优良的长期稳定性和极佳的化学气氛抵抗性。
附图说明
图1为陶瓷基体的剖面图；
图2为在陶瓷基体上下表面布置电极后的剖面图；
图3为在陶瓷基体上下表面布置电极并浸入感湿介质后的剖面图；
图4为本发明的湿度传感器元件的主视示意图；
图5为本发明的湿度传感器元件的侧视示意图。
主要图号说明：
1-多孔陶瓷 2-电极 3-立体网状湿度敏感薄膜
4-引脚 5-焊点
注：图中电极厚度与多孔陶瓷厚度不成比例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
图3为在陶瓷基体上下表面布置电极并浸入感湿介质后的剖面图，图4为本发明的湿度传感器元件的俯视图，图5为本发明的湿度传感器元件的侧视图。如图3、图4和图5所示，本发明的高分子电阻型湿度传感器元件包括：
多孔陶瓷基体1，电极2以及立体湿度敏感薄膜3，此外还包括焊接的引脚4。本实施例中，所述的多孔陶瓷基体1为二氧化硅掺杂的三氧化二铝多孔陶瓷基体(但并不以此为限，还可为本领域技术人员所知的可用于湿度传感器的任何多孔陶瓷材料)，该陶瓷基体具有致密的开孔，如图1所示。
所述电极2包括上表面电极和下表面电极，分别设置在陶瓷基体的上表面与下表面，本实施例中电极的材料为二氧化钌，如图2所示。所述电极材料也可以是金或者化学沉积碳等，但并不限于此。
所述的立体湿度敏感薄膜形成于设有电极的基体表面与多孔中，是通过将基体浸入感湿介质中形成。本实施例中，感湿介质为一种季铵化丙烯酸酯单体聚合得到的高分子聚合物或共聚物。所述单体结构如下：
其中，R1～R4分别代表相同或不同的烷基。本发明通过采用一种季铵化聚丙烯酸酯类高分子湿度敏感介质，在多孔陶瓷的开孔中物理的形成一种立体式网状薄膜3。而传统传感器的感湿膜一般都是浸涂于基体表面的二维平面薄膜。本发明的立体薄膜大大提高了湿度传感器元件的长期可靠性及化学气氛抵抗性。
通过以下的工艺可以制备出本发明的高分子电阻型湿度传感器：
1、多孔陶瓷基体预处理
本实施例中所用的多孔陶瓷基体的长49.9mm，宽47mm，厚0.5mm，用超声波清洗除去尘埃等异物。
2、布置电极
本实施例是在多孔陶瓷基体上下两面通过丝网印刷布置二氧化钌电极，分别形成上、下表面电极。所述二氧化钌电极要能形成多孔，而不能遮蔽多孔陶瓷的开孔。所述电极也可以通过传统真空镀膜或光刻等其它工艺布置到基体两面。
3、浸入感湿介质，成膜
将感湿介质溶于诸如乙醇、丙酮等溶剂中形成10～30％的溶液，当然本发明并不限定于上述溶剂与浓度。将多孔陶瓷基体浸入如上所述的溶液中，使感湿介质进入陶瓷基体的多孔中，随着溶剂的挥发感湿介质形成一种立体网状湿度敏感薄膜，此过程可在真空环境下进行，例如：将布置好电极的多孔陶瓷基体置于真空环境中30分钟，之后通过滴注装置浸入感湿介质，并使整个体系继续在真空环境中保持30分钟，随后卸去真空将基体置入80℃烘箱中，12小时后取出。但上述参数仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
4、焊接引脚、裂片，即得到湿敏元件
5、老化
对裂片后的湿敏元件进行老化处理，从而得到高分子电阻型湿度传感器元件。如所述的老化过程可以为：在40℃/70％RH环境下放置7天，然后在自然环境下放置15天。
6、检测
制得的湿敏元件经老化和检测后，即可得到高分子电阻型湿度传感器元件。
以下为本发明所提供的湿度传感器元件性能测试结果：
1.基本特性
本发明提供的湿度传感器元件具有宽量程、低湿滞、高精度以及温度系数小等基本特性。
表1.湿度传感器元件的基本特性
| 特性参数 | 条件和结果 |
| RH工作范围温度工作范围RH精度1RH互换性RH线性度RH湿滞RH响应时间RH稳定性温度补偿 | 10％RH～99％RH，不结露-10℃～60℃±3％RH，20％RH～95％RH，不结露，25℃±5％RH，20％RH～95％RH±1％RH(典型值)±1.5％RH(最大值)60s(最大值)，25℃±1％RH(典型值，25℃/50％RH，1年以内)温度系数：0.625％RH/℃ |
注1：长时间(约1000小时以上)高湿(≥90％RH)使用会造成元件阻抗漂移(～±3％RH)
2.长期可靠性
本发明提供的湿度传感器元件经过了严格的长期可靠性测试，实验项目有：长时间极端高低温、长时间高湿、热冲击、湿度冲击以及长时间电压激励等。结果表明，湿度传感器元件具有优异的长期稳定性，特别是耐热冲击和湿度冲击。表2为本发明湿度传感器元件的长期可靠性测试结果表。
表2.湿度传感器元件的长期可靠性
| 项目 | 实验环境及时间 | 结果 |
| 抗高温性抗低温性抗高湿性热冲击湿度冲击电激励 | 50℃，1000小时-10℃，1000小时25℃/85％RH，1000小时350个循环：-10℃(30分钟) 50℃(30分钟)350个循环：33％RH(30分钟)85％RH(30分钟)1.0Vdc，1kHz，3000小时 | ＜±5％RH＜±5％RH＜±5％RH＜±3％RH＜±3％RH＜±5％RH |
注：1.湿度传感器在每项实验结束后允许在室温下回复24小时。
2.分别测量实验前后湿度传感器元件在25℃/50％RH下的输出。
3.化学气氛抵抗性
湿度传感器经常会暴露于充满各种化学气氛的环境中工作，化学气氛抵抗性是衡量传感器竞争优势一个重要的因素，会直接影响整个系统的精度和可靠性。本发明提供的湿度传感器元件具有优良的化学气氛抵抗性。表3为湿度传感器的化学气氛抵抗性测试结果。
测试说明：
(1)密封容器中分别盛有150ml相关化学液体，十支湿度传感器元件被悬挂在化学液体表面10cm之上。
(2)试验中，传感器周期性地被移出，测试其在25℃/50％RH的输出。
(3)下表中“F”表明湿度传感器失效。
表3.湿度传感器的化学气氛抵抗性
| 化学液体 | 在暴露时间内25℃/50％RH的变化 | ||||
| 90hr | 120hr | 290hr | 446hr | 616hr | |
| 无水乙醇丙酮36％乙酸苯甲苯30％苯+30％甲苯+40％二甲苯 | -3％RH0.5％RH4％RH0.5％RH0.5％RH0.5％RH | -3％RH0.5％RH8％RH10.5％RH0.5％RH0.5％RH | -7％RH1％RHF1％RH1％RH1％RH | -8％RH2％RHF2％RH2％RH2％RH | -8％RH2％RHF2％RH2％RH2％RH |
通过如上说明可知，本发明具有如下优点与有益效果：由于丙烯酸酯类聚合物在基材的多孔内能够物理地形成一种立体式网状薄膜，极大地提高了湿度传感器元件的长期可靠性以及化学气氛抵抗性。同时本发明提供的生产工艺流程简单、高效、可操作性强，可以实现低成本大批量地生产湿度传感器元件。
本发明由于采用了一种季铵化聚丙烯酸酯类高分子湿度敏感介质——在多孔陶瓷中物理的形成一种立体式网状薄膜，整个元件的制造工艺流程简单可靠、成本低、无需专有设备、易于实现批量生产。所生产的元件输出线性度高、湿滞回差小、温度系数小、耐高湿、一致性好，同时具有优良的长期稳定性和极佳的化学气氛抵抗性。
以上具体实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
Claims (10)
1.一种高分子电阻型湿度传感器元件，其特征在于包括：
多孔陶瓷基体；
所述多孔陶瓷基体上、下表面分别布置有上、下表面电极，所述上、下表面电极上连接有引线；
多孔陶瓷基体开孔中浸有感湿介质，以形成立体湿度感应薄膜。
2.根据权利要求1所述的高分子电阻型湿度传感器元件，其特征在于：
所述感湿介质包括季铵化丙烯酸酯单体聚合得到的聚合物或共聚物。
3.根据权利要求1所述的高分子电阻型湿度传感器元件，其特征在于：
所述多孔陶瓷基体为二氧化硅掺杂的三氧化二铝多孔陶瓷基体。
4.一种高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于包括：
a.在多孔陶瓷基体的上、下表面分别布置上、下表面电极；
b.将多孔陶瓷基体浸入感湿介质，使基体的开孔中浸有感湿介质，形成立体湿度感应薄膜；
c.焊接引脚、裂片，得到湿敏元件；
d.对裂片后的湿敏元件进行老化处理，从而得到高分子电阻型湿度传感器元件。
5.根据权利要求4所述的高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于：
所述多孔陶瓷基体为二氧化硅掺杂的三氧化二铝多孔陶瓷基体。
6.根据权利要求4所述的高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于：在步骤a之前还包括对所述多孔陶瓷基体进行清洁预处理的步骤。
7.根据权利要求4所述的高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于，在步骤d之后还包括：
e.对所述的传感器元件进行检测。
8.根据权利要求4所述的高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于，所述的老化处理是指：在40℃/70％RH环境下放置7天，然后在自然环境下放置15天。
9.根据权利要求4所述的高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于，步骤b借助真空环境进行。
10.根据权利要求4所述的高分子电阻型湿度传感器元件的制造方法，其特征在于：
所述感湿介质包括季铵化丙烯酸酯单体聚合得到的聚合物或共聚物。
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