CN108398466A - 一种薄膜电容湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜电容湿度传感器及其制备方法，其中薄膜电容湿度传感器包括湿敏材料薄膜层，所述湿敏材料薄膜层的一面覆有上电极层，另一面覆有下电极层。与现有技术比较，本发明所提供的薄膜电容传感器能在保证稳定性、灵敏度的前提下，可以对空气中的水分实现瞬间响应，响应时间在3 s内，可以实时迅速的监控空气湿度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种高灵敏度的瞬间响应的薄膜电容湿度传感器及其制备方法。
背景技术
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。
比较通用的测环境空气湿度的传感器主要是湿敏电阻和湿敏电容，湿敏电阻一般只能满足常态环境（温度0~50℃/湿度20~90%RH）中使用，而且准确率和响应速度都比较差；湿敏电容能够全量程0~100%RH测试空气湿度，一般能满足-40~100℃温度下使用，其响应速度比湿敏电阻也快很多，基本上能达到10 s以内。因此，对于比较苛刻、要求精确控制空气湿度的环境，一般都会选用湿敏电容作为传感器。
目前，市场上多采用陶瓷基片或者柔性电路板作为湿敏电容的基板，基本结构是基板（1）、下电极（2）、湿敏材料层（3）和上电极（4），如图1所示。其中，上电极和下电极都是镀上去的薄金属层，下电极直接与基板连接。在实际使用中，空气中的水分大部分只能通过上电极薄金属层进入/排出，在湿敏材料层感应，进行测湿。由于只有上电极这一条水分通路，其响应速度大约在10~15 s，甚至更长响应时间，响应速度很慢，且难以同时保证稳定性和响应速度的良好性能。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种薄膜电容湿度传感器，不仅稳定性高，而且响应速度极快，能够在3s内检测出空气中湿度。
同时本发明还提供了上述薄膜电容湿度传感器的制备方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种薄膜电容湿度传感器，包括湿敏材料薄膜层，所述湿敏材料薄膜层的一面覆有上电极层，另一面覆有下电极层。
相对于现有技术，本发明所提供的是一种薄膜电容湿度传感器，中间层采用湿敏材料做成的薄膜，该湿敏材料薄膜层的两面分别覆有电极层，也就是上电极层和下电极层，空气中的水分可以同时通过上电极和下电极进入/排出。由于多了一个水分进出的通道，在保证湿敏材料性能优良的前提下，本发明所提供的电容湿度传感器响应的速度更快，相对于带基板的电容湿度传感器（如图1）的响应速度和灵敏度都得到了非常明显的提高。
本发明淘汰了用基板作为载体的方式，直接用湿敏材料所制成的薄膜作为感湿材料的同时也作为载体。现有的湿度传感器的湿敏材料层由于不作为载体，因此通常较薄，厚度约0.5~1.5μm。而在本发明中，为同时兼顾作为湿敏材料和载体的性能，湿敏材料薄膜的厚度优选为1~6 μm。在实际应用中，湿敏材料薄膜的厚度可以是1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm。
湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。湿敏材料常用的是聚乙烯醇、聚酰胺树脂、酰基纤维素和金属氧化物如Al2O3等。在本发明中，优选采用以醚键为主要感湿点的交联聚醚树脂作为湿敏材料。
现有技术中采用醋酸丁酸纤维素和聚酰亚胺类材料做出的湿敏电容型传感器，由于材料里含有不耐水解的酯键或酰胺键，使得这类湿敏电容型传感器虽然具有较好的性能，但是稳定性不足。本发明采用了一种基本不含酯键、酰胺键的交联聚醚树脂作为湿敏聚合物，利用醚键感湿，具有空间互穿网络空间结构，在保证对水分感应灵敏的同时，具有很好的耐水功能，不易溶胀、不易水解。因此用该聚合物制成的湿敏电容型传感器线性度好、湿滞小、灵敏度高、响应速度快、稳定性好，在高温高湿条件下，具有良好的可靠稳定性。本方案所得到的薄膜电容湿度传感器具有稳定性高，对水分敏感，吸湿/脱湿迅速等特点。
具体的，本发明的湿敏材料以及其制备方法还可参考申请号201610372727.1和申请号为201610531517.2的中国发明专利。
进一步地，所述上电极层和所述下电极层是镀在所述湿敏材料薄膜层上的。由于上电极层和下电极层都是水分的通道，考虑到电极的导电性、稳定性和透气性，本发明选用的电极的材质为金（Au）、铂金（Pt）、铬（Cr）中的一种或几种。另外，通过综合考虑导电性和透气性，上电极层和下电极层的厚度为50~200 nm。在实际应用中，上下电极的厚度可以是50nm、100nm、150nm、200nm。
优选地，所述上电极层的厚度为下电极层厚度的0.8~1.2倍。进一步优选地，所述上电极层的厚度等于所述下电极层的厚度。
上述薄膜电容湿度传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将湿敏材料调成一定粘度的溶液，在旋涂设备上进行旋涂流平，待溶剂挥发成膜后，切割成所需形状的薄膜；
S2：在步骤S1得到的薄膜的两面分别镀上一层薄金属层，作为上电极层和下电极层；
S3：分别将上电极层和下电极层各引出一条导电引线，形成电容。
进一步地，步骤S1中，湿敏材料溶液的粘度为20~30 mPa·s。
采用本发明的方法所做出了的薄膜电容传感器，电容性能良好，D值可以做到0.001级别，其湿敏性能如下：
灵敏度（10% RH~95% RH）：0.4~0.5 pF/%RH
湿度测试范围：0~100% RH
温度应用范围：-50~150 ℃
湿滞：﹤1% RH
响应速度（25℃）：t90﹤3 s
年漂移量：﹤1% RH
与现有技术比较，本发明所提供的薄膜电容传感器能在保证稳定性、灵敏度的前提下，可以对空气中的水分实现瞬间响应，可以实时迅速的监控空气湿度。
附图说明
图1为现有的湿敏电容的结构示意图；
图2为本发明所提供的薄膜湿敏电容传感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例
本实施例提供了一种高灵敏度的瞬间响应的薄膜电容湿度传感器，依次包括下电极2’、湿敏材料薄膜3’和上电极4’。
其中，上电极4’和下电极2’可以是镀在湿敏材料薄膜3’上。
本实施例所提供的是一种薄膜电容湿度传感器，放弃了传统的采用基板作为载体的方式，而是直接将湿敏材料做成薄膜，将该湿敏材料薄膜作为载体，然后将上下电极分别镀在湿敏材料薄膜的两面。由于本实施例未设置基板，上下电极都能供水分进入/排出，然后与湿敏材料薄膜接触。相对于现有技术了一个水分进出的通路，本实施例所提供的薄膜电容湿度传感器能够使得其湿敏材料能够更快地感应环境的湿度变化，响应速度和灵敏度都有很大的提升，响应速度可提升至3s。
为兼顾作为湿敏材料和载体的性能，作为一种优选的实施方案，在上述任一实施例的基础上，湿敏材料薄膜3’的厚度为1~6 μm。进一步优选地，所述湿敏材料选用以醚键为主要感湿点的交联聚醚树脂作为湿敏材料。
由于上电极4’和下电极2’都是作为水分进出的通路，考虑到电极的导电性、稳定性以及透气性，作为一种优选的实施方案，在上述任一实施例的基础上，上电极4’和下电极2’的材质可以是金（Au）、铂金（Pt）、铬（Cr）中的一种或几种。
作为一种更优选的实施方案，在上述任一实施例的基础上，为了兼顾电极的导电性和透气性，上电极4’的厚度为50~200 nm，下电极2’的厚度为50~200 nm。
作为一种更优选的实施方案，在上述任一实施例的基础上，上电极4’的厚度为下电极2’厚度的0.8~1.2倍。进一步地优选地，上电极4’的厚度等于下电极2’的厚度。
上述薄膜电容湿度传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将湿敏材料调成一定粘度的溶液，在旋涂设备上进行旋涂流平，待溶剂挥发成膜后，切割成所需形状的薄膜，薄膜的厚度控制在1~6 μm；
S2：在步骤S1得到的薄膜的两面分别镀上一层薄金属层，作为上电极层和下电极层，其中，镀的金属层厚度为50~200 nm；
S3：分别将上电极层和下电极层各引出一条导电引线，形成电容。
进一步地，步骤S1中，湿敏材料溶液的粘度为20~30 mPa·s。
作为一种优选的方案，优选采用定制旋涂设备，通过工艺控制制备标准薄膜，标准薄膜的要求为：平整、无针孔，厚度控制1~6 μm。
本实施例中，通过工艺控制制备达应用要求的薄膜，又由于没设置基板作为载体，因此，本实施例通过在1~6 μm厚度薄膜上，通过细微的制作工艺技术和高要求镀膜技术，在满足附着力且不击穿薄膜的情况下镀上两电极，制备得到高性能的电容。
采用本实施例的方法所做出了的薄膜电容传感器，电容性能良好，D值可以做到0.001级别，其湿敏性能如下：
灵敏度（10% RH~95% RH）：0.4~0.5 pF/%RH
湿度测试范围：0~100% RH
温度应用范围：-50~150 ℃
湿滞：﹤1% RH
响应速度（25℃）：t90﹤3 s
年漂移量：﹤1% RH。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜电容湿度传感器，其特征在于，包括湿敏材料薄膜层，所述湿敏材料薄膜层的一面覆有上电极层，另一面覆有下电极层。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料薄膜的厚度为1~6 μm。
3.根据权利要求2所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料薄膜为由以醚键为主要感湿点的交联聚醚树脂制备而成的薄膜。
4.根据权利要求1所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述上电极层的厚度为50~200 nm，和/或所述下电极层的厚度为50~200 nm。
5.根据权利要求1所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述上电极层和下电极层的材质分别为金、铂、铬中的一种或几种。
6.根据权利要求1或4或5所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述上电极层的厚度为下电极层厚度的0.8~1.2倍。
7.根据权利要求6所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述上电极层的厚度等于所述下电极层的厚度。
8.根据权利要求1所述的薄膜电容湿度传感器，其特征在于，所述上电极层和所述下电极层是镀在所述湿敏材料薄膜层上的。
9.根据权利要求1~8任一项所述的薄膜电容湿度传感器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：将湿敏材料调成一定粘度的溶液，然后进行旋涂流平，待溶剂挥发成膜后，切割成所需形状的薄膜；
S2：在步骤S1得到的薄膜的两面分别镀上一层金属层，作为上电极层和下电极层；
S3：分别将上电极层和下电极层各引出一条导电引线，形成电容。
10.根据权利要求9所述的薄膜电容湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，湿敏材料溶液的粘度为20~30 mPa·s。
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