CN112578003A - 传感元件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开的所述传感元件包括柔性衬底、第一电极、第二电极以及感湿材料，沿所述传感元件的高度方向所述第一电极和所述第二电极均设置于所述柔性衬底的上方，所述第一电极和所述第二电极的底面均与所述柔性衬底的上表面至少部分接触，所述第一电极和所述第二电极大致相对设置，所述感湿材料至少部分设置于所述第一电极和所述第二电极之间，所述柔性衬底包含有机聚合物和导热材料，本申请的传感元件应用于系统中监控湿度时可提高监控的准确度。
Description
技术领域
本申请涉及传感领域，具体而言，涉及传感元件。
背景技术
在温度比较低的季节或者是雨水较多的天气，如果车外的温度比车内低，车内的潮湿空气容易液化，在前车窗内表面形成一层水雾，严重影响司机的视线，大大降低行驶的安全性和舒适性。因此及时监控前车窗内表面水雾的产生，需要改进相关技术中传感元件的湿度感应精度。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供一种传感元件，所述传感元件包括柔性衬底、第一电极、第二电极以及感湿材料，沿所述传感元件的高度方向所述第一电极和所述第二电极均设置于所述柔性衬底的上方，所述第一电极和所述第二电极的底面均与所述柔性衬底的上表面至少部分接触，所述第一电极和所述第二电极大致相对设置，所述感湿材料至少部分设置于所述第一电极和所述第二电极之间，所述柔性衬底包含有机聚合物和导热材料，本申请的传感元件应用于系统中监控湿度时可提高监控的准确度。
附图说明
图1是本申请一实施例传感元件的结构示意图；
图2是图1中本申请一实施例传感元件的爆炸示意图；
图3是图1中实施例的传感元件的俯视示意图；
图4是图1中实施例的传感元件的仰视示意图；
图5是图3中实施例的传感元件的沿A-A方向剖切示意图；
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面结合附图，对本申请示例性实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互补充或相互组合。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
下面结合附图，对本申请示例性实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
相关技术中，在一些需要监控是否结霜的场合，例如对前车窗玻璃的结雾监控所用的传感器检测的是环境中的温度和湿度，不能准确反映前车窗的表面处温度。实际上车窗内表面温度比环境温度低，当湿度传感器检测的湿度接近100％时，前车窗内表面已经结雾。具体而言，根据Regnault原理，当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温，直到空气中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点。换言之，若将一个光洁的金属或非金属表面放到相对湿度低于100％的空气中并使之冷却，当温度降到某一数值时，靠近表面的相对湿度达到100％，这时将有露(或霜、雾)在表面形成。因此，通过监测物体表面的相对湿度和温度，采用Regnault原理可以用于分析结露临界点，提高防结雾监测的精度。
本申请实施例所述的传感元件通过检测前车窗内表面的相对湿度，采用Regnault原理分析结雾临界点，监控结雾点并反馈给系统，供系统进一步处理。具体的，本申请实施例的传感元件包括柔性衬底、第一电极、第二电极以及感湿材料，沿传感元件的高度方向第一电极和第二电极均设置于柔性衬底的上方，且第一电极和第二电极的底面均与柔性衬底的上表面至少部分接触，第一电极和第二电极为叉指电极且大致相对设置，所述感湿材料至少部分设置于所述第一电极和所述第二电极之间，所述柔性衬底包含导热材料，所述柔性衬底的下方设置有可将柔性衬底粘结于物体表面的粘结层，粘结层具有粘性和导热性，如此可使得传感元件能够更精确与待测物件的温度接近，进而使得传感元件能够更好的监控待测物件表面处的温度或湿度(相对湿度)。当所述传感元件的监控数据传输至系统中时，例如当所述传感元件用于监控车窗前玻璃表面的相对湿度的数据可将数据传输至系统，系统根据数据作出下一步处理。容易理解，本传感器除可以应用于汽车前车窗玻璃的防结雾处理，该传感元件也可以用于需要其他需要监控湿度的场合等。此处不作限制。
下面将结合具体实施例对本申请进行说明。
本申请实施例的传感元件100主要利用电容器原理对湿度进行监测。通常电容器是由指两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质构成，电容器是储存电量和电能(主要指电势能)的元件。其中两个相互靠近的导体如果是两块电极板，则所述电容器可称为平行板电容器，所述电极板为平行板电容器的两个极板。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。在电路图中通常用字母C表示电容器的电容，电容器的电容的基本单位是法拉(符号是F)，电容器的电容C在数值上等于一个导电极板上的电荷量Q与两个极板之间的电压差ΔU之比，即C＝Q/ΔU，其中ΔU＝UA-UB为两平行板间的电势差，该公式为电容的比例式。电容的决定式为C＝εS/4πkd，其中ε为介电常数，真空的介电常数为ε0＝1，k为静电力常量，S 为两极板正对面积，d为两板间距离，即电容量C由两极板的正对面积S、两极板之间的距离以及两极板间的介质的决定，通常认为平行板电容器内的电场是匀强电场。具体实施方式将结合附图详述如下。
如图1为本申请一实施例的传感元件100的结构示意图，如图2是图1 中传感元件100的爆炸结构示意图。结合图1和图2可知，所述传感元件100 沿第一方向(如图中X方向，本说明书实施例中界定其为上下方向)依次设置有粘结层10、柔性衬底20、电极(包括第一电极30和第二电极40)、感湿材料50。
其中，所述第一电极30和所述第二电极40沿第二方向(如图中Z方向，本说明书实施例中界定其为宽度方向)大致相对设置，所述第一电极30和所述第二电极40均设置于所述柔性衬底20的上方且均至少部分与所述柔性衬底20的上表面接触。其中，所述第一电极30和所述第二电极40作为电容器的两个极板。所述感湿材料50至少部分设置于所述第一电极30和第二电极 40之间且所述感湿材料50至少部分覆设于所述第一电极30和第二电极40的上表面。
所述感湿材料50也叫湿度敏感材料，包括陶瓷材料、纳米材料、吸湿性聚合物、多孔硅中的一种或几种，其可以吸收湿气而改变其介电常数。可选的，所述陶瓷材料包括TiO2、Al2O3、MnO2、MgCr2O4等。可选的，所述纳米材料包括石墨烯、碳纳米管等。可选的，所述吸湿性聚合物包括醋酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲酯和聚酰亚胺等。设置于所述第一电极30和第二电极 40之间的感湿材料50作为所述电容器的介质，当待测物体表面附近处的湿度有改变时，感湿材料可以吸收其中的水分，进而其介电常数ε随之改变，当其他变量稳定时，电容C会随之改变，进而可以通过监测电容C监控湿度。感湿材料50包括聚酰亚胺、氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al2O3)或还原氧化石墨烯等材料，根据具体需要选择即可，此处不做限制。
需要说明一点，本实施例中的所述第一电极30和所述第二电极40可选为叉指电极。叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，通常这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容。如图中所示，根据电容器原理，本实施例中采用叉指是为了增大所述第一电极30 和所述第二电极40的正对面积S，进而在其他条件相同时使得所述电容器的电容C值变大，进而利于对湿度监测，减小误差。换言之，叉指电极的使用可以使得所述电容器对湿度的感应更加敏感，测得的数值更加精确。如图中所示，所述正对面积为第一面31和第二面41。在另外一些实施例中,所述第一电极30和所述第二电极40可以平板电极，只要其能满足需要即可,此处不做限制。本实施例中所述第一电极30和所述第二电极40分别位于柔性衬底 20之上，且所述第一电极30和所述第二电极40均与所述柔性衬底20的上表面接触。可选的，所述第一电极30和所述第二电极40位于所述柔性衬底 20宽度方向(图中Z方向)的两端，形成叉指电极，可增大所述电容器的正对面积S。
在一些实施例中，所述感湿材料50还包含有微纳米孔结构，所述微纳米孔可增强对空气湿气的吸收，提高检测性能。在一些实施例中，所述感湿材料50还设置有第三孔51。可选的，所述第三孔51可以至上而下贯穿所述感湿材料50。可选的，所述第三孔51还可以不贯穿所述感湿材料50设置。所述第三孔51的设置可利于感湿材料吸收湿气，换言之，所述第三孔51能够利于所述感湿材料50对湿气的吸收，使其对湿度的监控更灵敏。可选的，所述第三孔51可以有多个。
在一些实施例中，所述第一电极30和所述第二电极40之间全部填充有所述感湿材料50。在另一些实施例中，所述第一电极30和所述第二电极40 之间部分填充有所述感湿材料50。根据实际需要设计即可，不做具体限定。
所述第一电极30和所述第二电极40作为电容的两个极板，其材质可以为金、铝和铜等金属材料，也可以是ITO和石墨烯等透明电极。可选的，石墨烯是透明导电材料，可以作为透明电极，如果用于车窗玻璃等对透光性有要求的场合，不会影响视觉效果。可选的，ITO是透明导电材料也可以作为透明电极。
本申请实施例中的衬底采用柔性衬底20，所述柔性衬底20可以弯曲变形，黏贴在具有一定曲面的物体上。相关技术中，柔性传感器在很多领域有巨大的应用前景，包括人造电子皮肤、健康监测设备、柔性显示设备和能量收集设备等。本申请实施例的传感元件采用柔性衬底使得所述传感元件能够利于贴合玻璃车窗有弯曲的曲面，能够使得所述传感元件可以紧密覆盖在弯曲曲面，一定程度上能提高玻璃车窗的相对湿度的监测。换言之，柔性传感器，能相对提高实时监测车窗玻璃内表面的相对湿度的准确性，反馈给系统进一步处理后可提高预防车窗内表面结雾的准确性，提高驾驶安全性。可选的，柔性衬底20为有机聚合物材料，其中，所述有机聚合物包括液晶聚合物 LCP、聚酰亚胺PI或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET等柔性衬底材料中的一种或几种。
可选的，在柔性衬底20内均匀填充导热材料60，使得所述柔性衬底20 具有良好的导热性能,使其能将车窗表面的温度或更加准确的传导至感湿材料50，使感湿材料50的温度与车窗玻璃温度接近，进而可提高检测车窗玻璃表面相对湿度的准确性。其中，所述导热材料60为氮化铝、氧化镁或氧化铝等金属氧化物纳米颗粒中的一种或几种。可选的，可以在柔性衬底20制备过程中直接添加增强其导热性能的导热材料60。可选的，在柔性衬底20设置第二孔21，所述第二孔21至上而下贯穿所述柔性衬底20设置，在所述第二孔21中添加增强导热性能的导热材料60，如上述纳米颗粒材料，或者，在所述第二孔21中填充石墨等导热性能良好的非金属材料，又或者，可以直接设置金属及合金材料，如铝及其合金、铜及其合金等，此处不做限制，只要其能够实现良好传热的目的即可。
可选的，所述第二孔21可以有多个。所述第二孔21可以均匀设置于所述柔性衬底20，也可以不均匀设置，满足需求即可，不做限制。可选的，所述第二孔21可以全部填充导热材料60，如此利于热传导。
可选的，所述柔性衬底20的厚度为10μm～500μm，如此设置使所述柔性衬底20能更好地将待测物体表面处的热量传递给感湿材料50，能较准确监测待测物体表面处的相对湿度。
如图中所示，本实施例的传感元件100还包括粘结层10，所述粘结层10 具有粘结性，使得所述传感元件100能够粘结于待测物件的表面，如车窗玻璃的表面。可选的，所述粘结层10的材质是聚酰亚胺。可选的，所述粘结层 10中也添加增强其导热性能的导热材料60。可选的，所述粘结层10本身具有较好的导热性能。如此，所述粘结层10可以将热量从待测物件表面更好的传递至柔性衬底20，而后在传递到感湿材料50，能够利于提高传感元件100 的监测精度。
可选的，在所述粘结层10中设置第一孔11，所述第一孔11至上而下贯穿所述粘结层10设置，在所述第一孔11中添加增强导热性能的导热材料60，如上述纳米颗粒材料，或者，在所述第一孔11中填充石墨等导热性能良好的非金属材料，又或者，可以直接设置金属材料，如铝及其合金、铜及其合金等此处不做限制，只要其能够实现良好传热的目的即可。可选的，所述第一孔11可以均匀设置于所述粘结层10，也可以不均匀设置，满足需求即可，不做限制。可选的，所述第一孔11可以全部填充导热材料60，如此利于热传导。
可选的，所述第一孔11和所述第二孔21大致相对设置，所述第一孔11 和所述第二孔21中均全部填充有导热材料60，如此设置，更加利于将待测物件表面处的热量直接传至感湿材料50，提高监测的精度。可选的，所述第一孔11和所述第二孔21中的填充的导热材料60是同种材料，同种材料之间的热阻较小，更利于热的传导。可选的，所述第一孔11和所述第二孔21中的填充的导热材料60也可以不同，例如，所述第一孔11中填充材料可以根据所述粘结层10的材质选择，使得所述填充材料和所述粘结层10既不相互反应且能更好配合。同样的，所述第二孔21中的填充材料可以根据所述柔性衬底20的材质选择，使得所述填充材料和所述柔性衬底20既不相互反应且能更好配合。上述设置根据需要设置即可。
需要说明一点，所述第一孔11、所述第二孔21和所述第三孔51可以相对设置，但是不能穿过所述第一电极30和所述第二电极40区域。换言之，所述沿所述传感元件100的高度方向(图中X方向)，不能破换所述第一电极30和所述第二电极40，即上述孔的设置不能破坏电极，也即对电极不能产生不良影响。
以上所述仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请做任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种传感元件(100)，其特征在于，所述传感元件包括柔性衬底(20)、第一电极(30)、第二电极(40)以及感湿材料(50)，沿所述传感元件的高度方向所述第一电极(30)和所述第二电极(40)均设置于所述柔性衬底(20)的上方，所述第一电极和所述第二电极的底面均与所述柔性衬底的上表面至少部分接触，所述第一电极和所述第二电极大致相对设置，所述感湿材料至少部分设置于所述第一电极和所述第二电极之间，所述柔性衬底包含有机聚合物形成的基底和设于基底内的导热材料(60)。
2.如权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述有机聚合物包括液晶聚合物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种，所述有机聚合物中均匀混合所述导热材料。
3.如权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述柔性衬底设有至少一个第二孔(21)，所述第二孔沿传感元件(100)的高度方向贯穿所述柔性衬底，且所述第二孔中填充有所述导热材料(60)。
4.如权利要求1～3任一权利要求所述的传感元件，其特征在于，所述导热材料由金属氧化物纳米材料、金属及合金材料、非金属导热材料中的至少一种材料形成。
5.如权利要求4所述的传感元件，其特征在于，所述柔性衬底(20)的厚度为100μm～500μm。
6.如权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为叉指电极。
7.如权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述感湿材料设有第三孔(51)，所述第三孔沿传感元件的高度方向贯穿所述感湿材料；或，所述感湿材料设有凹槽；或，所述感湿材料包含微纳米孔。
8.如权利要求7所述的传感元件，其特征在于，所述感湿材料包括陶瓷材料、纳米材料、吸湿性聚合物、多孔硅中的一种或几种。
9.如权利要求1～8任一项权利要求所述的传感元件，其特征在于，所述传感元件还具有粘结层(10)，所述粘结层设置于所述柔性衬底的下方，且与所述柔性衬底至少部分接触，所述粘结层设置有第一孔(11)，所述第一孔沿传感元件的高度方向贯穿所述粘结层，所述第一孔中填充导热材料。
10.如权利要求9所述的传感元件，其特征在于，所述第一孔和/或所述第二孔对应设置；和/或，所述第二孔和所述第三孔对应设置。
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