CN115078464A - 湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种湿度传感器包括基板、单一电极结构以及传感层或者立体传感结构。所述传感层或立体传感结构是设置于所述基板上。所述单一电极结构则设置于所述传感层或立体传感结构的表面，并根据所述单一电极结构的两端点的电阻值得到相对湿度。

Description

湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，且特别是涉及一种湿度传感器。

背景技术

一般湿度传感器分为电阻式和电容式的湿度传感器。电阻式的湿度传感器是利用传感层本身受湿度影响导致自身电阻值改变的特性，通过量测传感层本身的电阻值来换算成相对湿度，其反应速度快，相较于电容式的湿度传感器量测成本较低，但电阻式的湿度传感器所测得的电阻与相对湿度并非线性关系，需经过对数运算处理，互换性较差。电容式的湿度传感器是利用传感层本身受湿度影响导致自身介电常数改变的特性，使电容值也随湿度改变，因此可通过量测传感层的电容值而得到相对湿度，其中电容值与相对湿度为线性关系，因此互换性佳，但电容式的湿度传感器反应速度较慢，相较于电阻式的湿度传感器量测成本较高。

发明内容

本发明是针对一种湿度传感器，其为电阻和相对湿度具有线性关系的电阻式湿度传感器。

根据本发明的实施例，一种湿度传感器包括基板、传感层以及单一电极结构。所述传感层，设置于所述基板上。所述单一电极结构，设置于所述传感层的表面，并根据所述单一电极结构的两端点的电阻值得到相对湿度。

在根据本发明的实施例的湿度传感器中，上述的单一电极结构为直线电极，且所述传感层的吸水厚度膨胀率小于10％。

在根据本发明的实施例的湿度传感器中，上述的单一电极结构为蛇形电极或螺旋形电极，且所述传感层的吸水厚度膨胀率在0％～10％之间。

在根据本发明的实施例的湿度传感器中，上述的传感层的材料包括聚酰亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚甲基丙烯酸甲酯、乙酸丁酸纤维素或苯环丁烯。

在根据本发明的实施例的湿度传感器中，上述的单一电极结构的厚度与上述的传感层的厚度的比例小于1。

根据本发明的另一实施例，一种湿度传感器包括基板、立体传感结构以及单一电极结构。所述立体传感结构，设置于所述基板上，所述立体传感结构的表面为非平面。所述单一电极结构，设置于所述立体传感结构的表面，并根据所述单一电极结构的两端点的电阻值得到相对湿度。

在根据本发明的另一实施例的湿度传感器中，上述的立体传感结构为圆锥结构、四角锥结构或金字塔形结构。

在根据本发明的另一实施例的湿度传感器中，上述的单一电极结构的厚度与所述立体传感结构的最大厚度的比例小于1。

在根据本发明的另一实施例的湿度传感器中，上述的单一电极结构为直线电极，且所述立体传感结构的吸水厚度膨胀率小于10％。

在根据本发明的另一实施例的湿度传感器中，上述单一电极结构为蛇形电极或螺旋形电极，且所述立体传感结构的吸水厚度膨胀率在0％～10％之间。

在根据本发明的各个实施例的湿度传感器中，上述单一电极结构与所述基板互不接触。

基于上述，本发明的湿度传感器包括传感层或立体传感结构设置于基板与单一电极结构之间，通过量测单一电极结构的电阻值，可得传感层或立体传感结构的应力变化，进而得到相对湿度，且单一电极结构的电阻值与相对湿度为线性关系，因此单一电极结构的电阻值无需再经对数运算而可得相对湿度，实现互换性佳的电阻式湿度传感器的需求，解决了传统电阻式湿度传感器需将电阻值经对数运算才能得到相对湿度的问题。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为依照本发明第一实施例的湿度传感器的分层示意图。

图2为依照本发明第二实施例的湿度传感器的分层示意图。

图3为依照本发明第三实施例的湿度传感器的分层示意图。

图4为图3的A-A剖面线的剖面示意图。

图5为依照本发明第四实施例的湿度传感器的分层示意图。

图6为图5的B-B剖面线的剖面示意图。

图7为依照本发明第五实施例的湿度传感器的分层示意图。

图8为依照本发明第六实施例的湿度传感器的分层示意图。

附图标记：

10a、10b、20a、20b、20c、20d：湿度传感器

100、200：基板

110：传感层

111、211：表面

120、220：单一电极结构

210：立体传感结构

A-A、B-B：剖面线

t1、t2、t3、t4：厚度

x、y：方向

θ：夹角

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为了方便理解，下述说明中相同的器件将以相同的符号标示来说明。

此外，关于文中所使用“包含”、“包括”、“具有”等等术语，均为开放性的术语，也就是指“包括但不限于”。

应当理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用于描述各种器件、部件、区域、层及/或部分，但是这些器件、部件、区域、及/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个器件、部件、区域、层或部分与另一个器件、部件、区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的“第一器件”、“部件”、“区域”、“层”、或“部分”可以被称为第二器件、部件、区域、层或部分而不脱离本文的教导。

另外，文中所提到的方向性术语，例如“上”、“下”等，仅是用以参考附图的方向，并非用来限制本发明。

图1为依照本发明第一实施例的湿度传感器的分层示意图。

请参照图1，湿度传感器10a包括基板100、传感层110及单一电极结构120。基板100可以包括硬质基板或柔性基板，本发明并不以此为限。传感层110设置于基板100上，单一电极结构120设置于传感层110的表面111，并与传感层110贴合。单一电极结构120在基板100的投影范围不超出传感层110在基板100的投影范围，也就是说，单一电极结构120与基板100互不接触。

传感层110基本上为一具有均匀厚度t1的平面，例如可通过旋涂法、浸涂法或其他合适方法形成。传感层110的材料可以为吸水膨胀材料，其膨胀程度随相对湿度提升而线性增加，例如聚酰亚胺(polyimide)、聚苯乙烯磺酸钠(sodium po1ystyrenesu1fonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)、乙酸丁酸纤维素(celluloseacetate-butyrate)、苯环丁烯(benzocyclobutene)或其他合适材料，本发明并不以此为限。传感层110的吸水厚度膨胀率可小于10％，以避免单一电极结构120超出其可承受的应力范围而坍塌，也就是说，可避免造成单一电极结构120不可逆的形变，同时，单一电极结构120的信号变化可较稳定，即不会有过大的电阻变化致使信号变化过大。前述传感层110的吸水厚度膨胀率是指质量的膨胀率经换算而得的厚度膨胀率，进一步地说，吸水厚度膨胀率是通过量测材料在吸水前后的质量的差值，即为水所造成的质量增加，透过水的密度可回推材料所增加的体积，再经材料的面积可推算出其厚度的变化而得吸水厚度膨胀率，其中吸水厚度膨胀率为0％表示其在无湿度环境中的吸水厚度膨胀率。

单一电极结构120的形状并没有特别限定，只要能传感到传感层110的形变并可量测出单一电极结构120的电阻值即可。在第一实施例中，单一电极结构120为直线电极，沿x方向延伸，但本发明并不以此为限。在一些实施例中，单一电极结构120为可蛇形或螺旋形电极。单一电极结构120的材料可包括金、银、铜、铂、铝、或前述金属的合金，但本发明并不以此为限。单一电极结构120基本上具有均匀厚度t2，例如可通过丝网印刷法、物理/化学气相沉积法或其他合适方法形成。单一电极结构120的厚度t2小于传感层110的厚度t1，且单一电极结构120的厚度t2与传感层110的厚度t1的比例小于1。

由于传感层110会随着相对湿度的改变而有线性膨胀或收缩的变化，且单一电极结构120与传感层110的表面111贴合，会随着传感层110的形变，一同产生应力变化，可通过量测单一电极结构120的两端点的电阻值，得知传感层110的应力变化，进而得到相对湿度。也就是说，基于本实施例的湿度传感器10a的结构，可根据单一电极结构120的两端点的电阻值得到相对湿度，且相对湿度与单一电极结构120的两端点的电阻值呈线性关系，因此解决了传统电阻式湿度计需经过对数运算，互换性差的缺点，并且仍保有传统电阻式湿度计反应速度快，量测成本较低的优点。换句话说，本发明的湿度传感器10a同时具有传统电阻式湿度传感器和电容是湿度传感器的优点。

图2为依照本发明第二实施例的湿度传感器的分层示意图。图2的分层示意图大致相似于图1的分层示意图，因此第二实施例中与第一实施例记载的相同构件可参照前述的相关内容，故第一与第二实施例中相同的配置，在此不再赘述。

在图2中，本实施例的湿度传感器10b不同于第一实施例之处在于，湿度传感器10b的单一电极结构120为蛇形电极，具有沿x方向及沿y方向延伸的连续结构。单一电极结构120在基板100的投影范围在传感层110在基板100的投影范围内。由于单一电极结构120为具有沿x方向及沿y方向延伸的连续结构，可以传感到传感层110的二维应力变化，使湿度传感器10b的应力传感提升、电阻增加，进而使湿度传感器10b的灵敏度提升，且易于微小化。

图3为依照本发明第三实施例的湿度传感器的分层示意图。图4为图3的A-A剖面线的剖面示意图。

请参照图3，湿度传感器20a包括基板200、立体传感结构210及单一电极结构220。基板200可以包括硬质基板或柔性基板，本发明并不以此为限。立体传感结构210设置于基板100上，其中立体传感结构210的表面211为非平面。单一电极结构220设置于立体传感结构210的表面211，并与立体传感结构210贴合。单一电极结构220在基板200的投影范围不超出立体传感结构210在基板200的投影范围，也就是说，单一电极结构220与基板200互不接触。

请同时参照图3及图4，立体传感结构210可以为中间厚度较厚，周边区域厚度较薄的结构，例如圆锥结构、四角锥结构或金字塔形结构，在图3中，立体传感结构210为四角锥结构，但本发明并不以此为限。立体传感结构210可通过3D打印的方式形成，但本发明并不以此为限。前述立体传感结构210的厚度指的是立体传感结构210的表面211至基板200的表面的垂直距离。在图4中，立体传感结构210的表面211与基板200所夹的夹角在30°～90°之间。立体传感结构210的材料可以为吸水膨胀材料，其膨胀程度随相对湿度提升而线性增加，例如聚酰亚胺(polyimide)、聚苯乙烯磺酸钠(sodium po1ystyrenesu1fonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)、乙酸丁酸纤维素(cellulose acetatebutyrate,CAB)、苯环丁烯(benzocyclobutene)或其他合适材料，本发明并不以此为限。立体传感结构210的吸水厚度膨胀率小于10％，以避免单一电极结构220超出其可承受的应力范围而坍塌，也就是说，可避免造成单一电极结构220不可逆的形变，同时，单一电极结构220的信号变化可较稳定，即不会有过大的电阻变化致使信号变化过大。前述立体传感结构210的吸水厚度膨胀率是指质量的膨胀率经换算而得的厚度膨胀率，进一步地说，吸水厚度膨胀率是通过量测材料在吸水前后的质量的差值，即为水所造成的质量增加，透过水的密度可回推材料所增加的体积，再经材料的面积可推算出其厚度的变化而得吸水厚度膨胀率，其中吸水厚度膨胀率为0％表示其在无湿度环境中的吸水厚度膨胀率。

单一电极结构220的形状并没有特别限定，只要能传感到立体传感结构210的形变并可量测出单一电极结构220的电阻值即可。在图3中，单一电极结构220为直线电极，沿x方向延伸，但本发明并不以此为限。在一些实施例中，单一电极结构220为可蛇形或螺旋形电极。单一电极结构220的材料可包括金、银、铜、铂、铝、或前述金属的合金，但本发明并不以此为限。单一电极结构220基本上具有均匀厚度t4，例如可通过丝网印刷法、物理/化学气相沉积法或其他合适方法形成。单一电极结构220的厚度t4小于立体传感结构210的最大厚度t3，且单一电极结构220的厚度t4与立体传感结构210的最大厚度t3的比例小于1。

由于立体传感结构210会随着相对湿度的改变而有线性膨胀或收缩的变化，且单一电极结构220与立体传感结构210的表面211贴合，会随着立体传感结构210的形变，一同产生应力变化，可通过量测单一电极结构220的两端点的电阻值，得知传感层210的应力变化，进而得到相对湿度。也就是说，基于本实施例的湿度传感器20a的结构，可根据单一电极结构220的两端点的电阻值得到相对湿度，且相对湿度与单一电极结构220的两端点的电阻值呈线性关系，因此解决了传统电阻式湿度计需经过对数运算，互换性差的缺点，并且仍保有传统电阻式湿度计反应速度快，量测成本较低的优点。且由于立体传感结构210的厚度非单一厚度，单一电极结构220可传感到立体传感结构210在x方向及z方向的应力变化，提升应力传感，使湿度传感器20a的灵敏度提升。

图5为依照本发明第四实施例的湿度传感器的分层示意图。图5的分层示意图大致相似于图3的分层示意图，因此第四实施例中与第三实施例记载的相同构件可参照前述的相关内容，故第三与第四实施例中相同的配置，在此不再赘述。图6为图5的B-B剖面线的剖面示意图。

在图5以及图6中，本实施例的湿度传感器20b不同于第三实施例之处在于，湿度传感器20b的单一电极结构220为蛇形电极，具有沿x方向及沿y方向延伸的连续结构，立体传感结构210的吸水厚度膨胀率可在0％～10％之间，以避免造成单一电极结构220不可逆的形变，同时，单一电极结构220的信号变化可较稳定，即不会有过大的电阻变化致使信号变化过大。由于单一电极结构220为具有沿x方向及沿y方向延伸的连续结构且立体传感结构210的厚度非单一厚度，单一电极结构220可以传感到立体传感结构210的三维应力变化，使湿度传感器20b的应力传感提升、电阻增加，进而使湿度传感器20b的灵敏度提升，且易于微小化。

图7为依照本发明第五实施例的湿度传感器的分层示意图。图7的分层示意图大致相似于图3的分层示意图，因此第五实施例中与第三实施例记载的相同构件可参照前述的相关内容，故第三与第五实施例中相同的配置，在此不再赘述。

在图7中，本实施例的湿度传感器20c不同于第三实施例之处在于，湿度传感器20c的立体传感结构210为圆锥结构，且单一电极结构220贴合于立体传感结构210的表面211，类似于图4的剖面图所示。单一电极结构220在基板200的投影范围不超出立体传感结构210在基板200的投影范围。由于立体传感结构210的厚度为非单一厚度，单一电极结构220可传感到立体传感结构210在x方向及z方向的应力变化，提升应力传感，使湿度传感器20c的灵敏度提升。

图8为依照本发明第六实施例的湿度传感器的分层示意图。图8的分层示意图大致相似于图7的分层示意图，因此第六实施例中所记载的相同构件可参照前述内容，而第五与第六实施例中相同的配置，在此不再赘述。

在图8中，本实施例的湿度传感器20d不同于第五实施例之处在于，湿度传感器20d的单一电极结构220为螺旋形电极，以逆时针或顺时针的方向环绕立体传感结构210，且贴合于立体传感结构210的表面211，类似于图6的剖面图所示。单一电极结构220在基板200的投影范围不超出立体传感结构210在基板200的投影范围。由于单一电极结构220为螺旋形的连续结构且立体传感结构210的厚度非单一厚度，单一电极结构220可以传感到立体传感结构210的三维应力变化，使湿度传感器20d的应力传感提升、电阻增加，进而使湿度传感器20d的灵敏度提升，且易于微小化。立体传感结构210的吸水厚度膨胀率同样可在0％～10％之间，以避免造成单一电极结构220不可逆的形变，同时，单一电极结构220的信号变化可较稳定，即不会有过大的电阻变化致使信号变化过大。

综上所述，本发明的湿度传感器包括传感层或立体传感结构设置于基板与单一电极结构之间，通过量测单一电极结构的电阻值，可得传感层或立体传感结构的应力变化，进而得到相对湿度，且单一电极结构的电阻值与相对湿度为线性关系，因此单一电极结构的电阻值无需再经对数运算而可得相对湿度，实现互换性佳的电阻式湿度传感器的需求，解决了传统电阻式湿度传感器需将电阻值经对数运算才能得到相对湿度的问题，并保有传统电阻式湿度传感器反应速度快，量测成本较低的优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种湿度传感器，其特征在于，包括：

基板；

传感层，设置于所述基板上；以及

单一电极结构，设置于所述传感层的表面，并根据所述单一电极结构的两端点的电阻值得到相对湿度。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构为直线电极，且所述传感层的吸水厚度膨胀率小于10％。

3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构为蛇形电极或螺旋形电极，且所述传感层的吸水厚度膨胀率在0％～10％之间。

4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构的厚度与所述传感层的厚度的比例小于1。

5.一种湿度传感器，其特征在于，包括：

基板；

立体传感结构，设置于所述基板上，所述立体传感结构的表面为非平面；以及

单一电极结构，设置于所述立体传感结构的所述表面，并根据所述单一电极结构的两端点的电阻值得到相对湿度。

6.根据权利要求5所述的湿度传感器，其特征在于，所述立体传感结构为圆锥结构、四角锥结构或金字塔形结构。

7.根据权利要求5所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构的厚度与所述立体传感结构的最大厚度的比例小于1。

8.根据权利要求5所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构为直线电极，且所述立体传感结构的吸水厚度膨胀率小于10％。

9.根据权利要求5所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构为蛇形电极或螺旋形电极，且所述立体传感结构的吸水厚度膨胀率在0％～10％之间。

10.根据权利要求1或5所述的湿度传感器，其特征在于，所述单一电极结构与所述基板互不接触。

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