CN211292688U - 一种具有根状电极结构的湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有根状电极结构的湿度传感器，包括作为电介质的一层基体膜、两个表面电极层、多个根状电极；两个表面电极层黏附于基体膜的上下表面；多个根状电极设置于基体膜内部，且每个根状电极均与一表面电极层相连。本实用新型根状电极结构微观上具有纳米结构，宏观上呈现微米结构，相比于现有梳状电极结构，大大增加电极与芯层之间的接触面积；所涉及的电极层的微‑纳米颗粒状结构和根状电极，共同增加了传感器的湿度敏感度；由于基体膜材料的柔韧性和厚度的可选择性，该湿度传感器可以制作成多种形状；本申请所涉及的电容式湿度传感器经过改进可以适用于检测压力、位移、气体浓度等物理量，应用广泛。
Description
技术领域
本实用新型属于湿度传感器技术领域，具体涉及一种具有根状电极结构的湿度传感器。
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，湿度由于受其它因素(大气压强、温度)的影响，是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，已无法满足现代科技发展的需要，因此开发新型的湿度传感器的对于现代工业而言十分重要。其中电容式湿度传感器受到广泛的关注。电容器是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成，是电子设备中大量使用的电子元件之一。电容式传感器利用电容器原理，将被测非电量的改变转化为电容量的变化，进而转换为便于测量和传输的电压、电流或频率等信号。电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化，利用这一原理可制成加速度传感器、湿度传感器、压力传感器、气体传感器、化学传感器、生物传感器、声表面波传感器等各种传感器，应用范围相当广泛。
聚合物电解质是由固/液两相结构组成，在湿度环境中具有较强的吸水/应变能力。当聚合物电解质吸水后，其内部会形成离子通道，离子通道内部是包含水合离子的溶液，这些水合离子之间通过微通道联通，形成固/液两相结构。如果在聚合物电解质薄膜上下表面分别附着两层金属电极，形成聚合物/金属复合膜材料，成为具有特定信号响应的传感器。由于膜材料具有较好的吸湿溶胀性，这种传感器可以用以检测湿度量；或是引入不同的金属离子使膜材料获得不同的化学特性，利用膜材料的介电常数的变化引起的电容值的变化来检测湿度、气体浓度、离子浓度等物理量。因此，聚合物电解质/金属复合膜材料制成的传感器，具有广阔的应用前景。
为了解决以上问题我方研发出了一种具有根状电极结构的湿度传感器。
发明内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种具有根状电极结构的湿度传感器。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
一种具有根状电极结构的湿度传感器，包括：
作为电介质的一层基体膜；
两个表面电极层；两个表面电极层黏附于基体膜的上下表面；
多个根状电极；多个根状电极设置于基体膜内部，且每个根状电极均与一表面电极层相连。
优选地，基体膜为具有湿敏特性的聚合物电解质基体膜，基体膜的厚度大于0微米小于200微米。
优选地，表面电极层为导电层，表面电极层的厚度大于0微米小于10微米。
优选地，任意两个紧靠的根状电极之间的距离大于0微米小于20微米。
优选地，表面电极层的内表面呈现微米-纳米级颗粒状分布结构。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的一种具有根状电极结构的湿度传感器：
根状电极结构微观上具有纳米结构，宏观上呈现微米结构，相比于现有梳状电极结构，大大增加电极与芯层之间的接触面积；所涉及的电极层的微-纳米颗粒状结构和根状电极，共同增加了传感器的湿度敏感度；由于基体膜材料的柔韧性和厚度的可选择性，该湿度传感器可以制作成多种形状；本申请所涉及的电容式湿度传感器经过改进可以适用于检测压力、位移、气体浓度等物理量，应用广泛。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的实际传感器截面形貌图；其中a是基体膜的示意图；b是表面电极层的示意图；c是根状电极的示意图；
图中:1-基体膜；2-表面电极层,3-根状电极。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
如图1和图2所示，一种具有根状电极结构的湿度传感器，包括：
作为电介质的一层基体膜1；
两个表面电极层2；两个表面电极层2黏附于基体膜1的上下表面；
多个根状电极3；多个根状电极3设置于基体膜1内部，且每个根状电极3 均与一表面电极层2相连。
基体膜1为具有湿敏特性的聚合物电解质基体膜1，基体膜1的厚度大于0 微米小于200微米。
表面电极层2为导电层，表面电极层2的厚度大于0微米小于10微米。
任意两个紧靠的根状电极3之间的距离大于0微米小于20微米。
表面电极层2的内表面呈现微米-纳米级颗粒状分布结构。
本申请中提供一种根状电极3结构，以提高湿度传感器的感湿性能。该根状电极3结构所涉及的湿度传感器芯层适合于聚合物电解质，所涉及的金属电极适合于铂、钯、银、铜等。
一层基体膜1用来充当电介质的湿敏基体膜1，其特征是具有固/液特定微结构的聚合物电解质膜，如：Nafion膜等，优选厚度范围为10-200微米。基体膜1的上下外表面附着有表面电极层，厚度为1-10微米，表面电极层形态呈现微米-纳米级颗粒状。表面电极层与根状电极3相连接，其成分可相同或者不同，为铜、银、钯或铂或者混合金属，生长于基体膜1内表面，形状如树根状的分支，深入基体膜1的内部。
该根状电极3结构主要通过以下技术实现：
(1)基体膜1表面糙化处理。采用特定方法对基体膜1进行表面还处理，所涉及方法包括砂纸打磨、喷砂、等离子体处理等，以喷砂方式为例，在时间控制在5min内、压力控制在0.5MPa内以及玻璃砂尺寸不大于100目的条件下获得糙化后的基体膜1，表面具有均匀分布的微米级凹坑。
(2)浸泡-还原镀。基于聚合物电解质的离子交换能力，将聚合物电介质放入金属盐溶液中进行离子交换，其中金属盐溶液的浓度不高于0.05mol/L，离子交换时间不少于2h，反应温度控制在40℃-60℃之间。将离子交换后的聚合物电介质薄膜放入具有还原性的溶液中进行还原，其中还原性溶液包括硼氢化钠溶液、亚硫酸钠溶液等，还原性溶液浓度不低于0.001mol/L，反应时间不少于2h，反应温度控制在40℃-60℃之间。重复浸泡还原步骤3-5次，直至表面电极厚度达1-10微米。由于基体膜1表面微米级凹坑的存在，表面电极的微- 纳米级颗粒状电极自然形成。该过程旨在于形成初步的表面电极，使基体膜1 表面具有导电能力，为后续浸泡-电镀提供条件。
(3)浸泡-电镀。重复步骤(2)中的浸泡过程：基于聚合物电解质的离子交换能力，将聚合物电介质放入金属盐溶液中进行离子交换，其中金属盐溶液的浓度不高于0.05mol/L，离子交换时间不少于2h，反应温度控制在40℃-60℃之间。对浸泡后的基体膜1进行电镀，电镀时间3-5min/面，电镀电流不高于 0.5A，电镀电压不高于5V。
重复电镀过程，直至达到根状电极3之间的距离分布范围在0-20微米。
优选实施例，采用Nafion膜作为基体膜1，厚度为180μm。基体膜1的上下外表面附着有表面电极，本实施例为贵金属钯，表面为疏松的微米级电极颗粒，如图2所示。根状电极3也是钯金属，其生长于基体膜1内表面，形状如根状，深入基体膜1的内部。
该根状电极3结构主要通过以下技术实现：(1)基体膜1表面糙化处理。采用喷砂方法，喷砂时间2mim/面、喷砂压力0.2MPa，玻璃砂尺寸200目，获得糙化后的基体膜1表面具有均匀分布的微米级凹坑。(2)浸泡-还原镀。基于聚合物电解质的离子交换能力，将聚合物电介质放入金属盐溶液中进行离子交换，其中金属盐溶液的浓度为0.02mol/L，离子交换时间为2h，反应温度控制在50℃。将离子交换后的聚合物电介质薄膜放入具有还原性的溶液中进行还原，其中还原性溶液选择为硼氢化钠溶液，浓度0.001mol/L，反应时间2h，反应温度50℃之间。重复浸泡还原步骤3次，表面电极厚度达到5微米。由于基体膜1表面微米级凹坑的存在，表面电极的微-纳米级颗粒状电极自然形成。该过程旨在于形成初步的表面电极，使基体膜1表面具有导电能力，为后续浸泡- 电镀提供条件。(3)浸泡-电镀。重复步骤(2)中的浸泡过程：基于聚合物电解质的离子交换能力，将聚合物电介质放入金属盐溶液中进行离子交换，其中金属盐溶液的浓度为0.02mol/L，离子交换时间2h，反应温度控制在50℃。对浸泡后的基体膜1进行电镀，电镀时间3min/面，电镀电流为0.3A，电镀电压为5V。重复电镀过程3次，直至达到根状电极3之间的距离分布范围在10微米左右。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (5)
1.一种具有根状电极结构的湿度传感器，其特征在于，包括：
作为电介质的一层基体膜；
两个表面电极层；两个表面电极层黏附于基体膜的上下表面；
多个根状电极；多个根状电极设置于基体膜内部，且每个根状电极均与一表面电极层的内表面相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有根状电极结构的湿度传感器，其特征在于：基体膜为具有湿敏特性的聚合物电解质基体膜，基体膜的厚度大于0微米小于200微米。
3.根据权利要求1所述的一种具有根状电极结构的湿度传感器，其特征在于：表面电极层为导电层，表面电极层的厚度大于0微米小于10微米。
4.根据权利要求1所述的一种具有根状电极结构的湿度传感器，其特征在于：任意两个紧靠的根状电极之间的距离大于0微米小于20微米。
5.根据权利要求1所述的一种具有根状电极结构的湿度传感器，其特征在于：表面电极层的内表面呈现微米-纳米级颗粒状分布结构。
Priority Applications (1)
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| CN201922400884.0U CN211292688U (zh) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | 一种具有根状电极结构的湿度传感器 |
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| CN201922400884.0U CN211292688U (zh) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | 一种具有根状电极结构的湿度传感器 |
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Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110907507A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-03-24 | 中国工程物理研究院总体工程研究所 | 一种具有根状电极结构的湿度传感器 |
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2019
- 2019-12-27 CN CN201922400884.0U patent/CN211292688U/zh active Active
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