RU214243U1 - Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры - Google Patents

Abstract

Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры, содержащий подложку, на которой размещена пленка, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде пластины из гибкого диэлектрического материала, на поверхности которой расположены два полимерных пленочных резистора в виде двух нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками, выполненных в виде одинаковых по размерам прямоугольных полосок, два соседних края которых электрически соединены путем наложения тонкой металлической контактной площадки, а два других края полосок соединены с двумя раздельными металлическими контактными площадками с образованием на одной диэлектрической подложке чувствительного элемента в виде электрической цепи из двух последовательно соединенных полимерных пленочных резисторов, все металлические контактные площадки соединены с гибкими изолированными проводниками, при этом одна нанокомпозитная пленочная полоска вместе с ее контактами с металлическими пленочными площадками покрыта защитным влагонепроницаемым материалом, при этом электрическая цепь подключена к источнику тока, а датчик включает электрическую схему измерения напряжения раздельно на каждом пленочном резисторе. Датчик позволяет осуществить одновременное измерение температуры и влажности, снизить погрешность измерения, обеспечивает возможность его применения на неровных или деформируемых поверхностях без разрушения чувствительного элемента. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к нанотехнологиям, а именно к конструкции и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков на основе нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками, и может быть использована для изготовления двухпараметрического датчика влажности и температуры резистивного типа, применяемых в радиоэлектронике, приборостроении, медицине, зоотехнике и др.

Известен способ изготовления чувствительного элемента датчиков газов с углеродными нанотрубками по патенту РФ 2528032, публ. 2014, согласно которому чувствительный элемент представляет собой изолирующую подложку с предварительно нанесенными контактами, на которой путем нанесения пленкообразующего водно-спиртового раствора SnCl₂ с углеродными нанотрубками формируют нанокомпозитный слой диоксида олова. Изготовленный таким образом чувствительный элемент подвергают сушке в течение 10 минут при температуре 150°С с последующим отжигом на воздухе в течение 30 минут при температуре не ниже 370°С для формирования нанокристаллической структуры.

В известном датчике газов выполнена негибкая изолирующая подложка, а при использовании невозможно размещение датчика на деформируемых элементах конструкций или поверхности биологических объектов и невозможность одновременного измерения влажности и температуры.

Известна структура (конструкция) тонкопленочного датчика влажности резистивного типа из патента РФ 2682259, публ. 2019, в виде электропроводящих дорожек оксида графена на гибкой полимерной пленке, формируемых с помощью полупроводникового лазера из нанесенной на подложку и высушенной водной суспензии оксида графена, с выводами на основе токопроводящей пасты. Проводимость оксида графена с ростом уровня относительной влажности RH от 30 до 70% возрастает почти в 3 раза. При прогонке RH в обратном направлении наблюдается явление слабого гистерезиса проводимости.

Указанный тонкопленочный датчик не позволяет осуществлять одновременное измерение влажности и температуры и, как показано, проявляет явление слабого гистерезиса проводимости.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство датчика влажности по патенту 160838 РФ, публ. 2016, в виде заготовки из медной фольги нужной формы и размеров с осажденной на нее пленкой мультиграфена, к местам расположения контактов на заготовке приклеивают стеклянную подложку и сверху наносят защитный слой требуемой формы, стравливаю фольгу с незащищенных участков, промывают и высушивают заготовку, а также удаляют защитный слой с электрических контактов.

Жесткая стеклянная подложка ограничивает применение датчика, так как не позволяет размещать датчик на деформируемых поверхностях без разрушения чувствительного элемента, датчик не позволяет одновременно измерять влажность и температуру, и также проявляет гистерезис, что создает погрешность измерения влажности и температуры.

Техническая задача состоит в том, чтобы расширить функциональные возможности датчика путем обеспечения возможности применения датчика на неровных или деформируемых поверхностях без разрушения чувствительного элемента, обеспечить возможность одновременного измерения температуры и влажности и снизить погрешность измерения влажности и температуры.

Для решения поставленной задачи заявляется следующее.

Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры, содержащий подложку, на которой размещена пленка, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде пластины из гибкого диэлектрического материала, на поверхности которой расположены два полимерных пленочных резистора в виде двух нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками, выполненных в виде одинаковых по размерам прямоугольных полосок, два соседних края которых электрически соединены путем наложения тонкой металлической контактной площадки, а два других края полосок соединены с двумя раздельными металлическими контактными площадками с образованием на одной диэлектрической подложке чувствительного элемента в виде электрической цепи из двух последовательно соединенных полимерных пленочных резисторов, все металлические контактные площадки соединены с гибкими изолированными проводниками, при этом одна нанокомпозитная пленочная полоска вместе с ее контактами с металлическими пленочными площадками покрыта защитным влагонепроницаемым материалом, при этом электрическая цепь подключена к источнику тока, а датчик включает электрическую схему измерения напряжения раздельно на каждом пленочном резисторе.

Полезная модель поясняется фигурами, на которых представлены:

на фиг. 1 - структура заявляемого датчика температуры и влажности, (общий вид датчика),

на фиг. 2 - электрическая эквивалентная схема заявляемого датчика.

Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры включает подложку 1, например, из силиконового эластомера. Материал характеризуется высокой эластичностью и стойкостью к действию воды, растворов солей и кислот. На поверхности подложки расположены два полимерных пленочных резистора 2 и 3 в виде двух нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками (УНТ). Полимерные пленки с УНТ выполнены в виде одинаковых по размерам прямоугольных полосок. Два края полосок электрически соединены путем наложения тонкой металлической контактной площадки 4, а два других края полосок соединены с двумя раздельными металлическими контактными площадками 5 и 6. Пленочные резисторы с контактными площадками образуют электрическую цепь из двух последовательно соединенных полимерных пленочных резисторов 2 и 3. Один нанокомпозитный пленочный резистор 3 вместе с его контактами с металлическими площадками 4, 5 покрыт в атмосфере сухого воздуха влагонепроницаемым защитным материалом 7, например, лаком, компаундом, гелем. Металлические контактные площадки 4-6 соединены с гибкими изолированными проводниками (не обозначены), например, контактной или ультразвуковой сваркой.

Электрическая цепь подключена к источнику тока 8. Падение напряжений U₁ и U₂ раздельно на каждом пленочном резисторе измеряется, например, вольтметром (на фиг. 1 V1 и V2) или аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера.

Электропроводность полимерных пленок зависит от температуры и влажности. При работе датчика для измерения влажности и температуры электрическая цепь (чувствительный элемент) подключается к источнику тока 8. На фиг. 2 на эквивалентной электрической схеме сопротивление R₁ соответствует незащищенному пленочному резистору 2, а сопротивление R₂ соответствует пленочному резистору 3, покрытому защитным материалом, и его измеряемый параметр - электрическое сопротивление - зависит только от температуры и не зависит от влажности.

Зависимость электропроводности полимерных нанокомпозитов с УНТ от температуры в диапазоне температур примерно от - 150°С до температуры T_g стеклования полимера (для поливинилового спирта, например, T_g=85°С, для ППМА - 105°С) описывается известной формулой [см., например, Елецкий А.В., Книжник А.А., Потапкин Б.В., Кении Х.М. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки // Успехи физических наук, 2015, №3. С. 243.]:

где A, T₁ и Т₂ - некоторые параметры, определяемые свойствами полимера и параметрами УНТ.

Соответственно, сопротивление R₂ пленочного резистора 3, покрытого защитным материалом, будет зависеть только от температуры, и эту зависимость можно записать в виде

где R₂₀ (T₀, 0) - значение сопротивления пленочного резистора 3 при некоторой заданной температуре Т₀ калибровки датчика (например, при комнатной температуре Т₀=20°С) и нулевой влажности; параметры Т₁ и Т₂ определяются при предварительной калибровке датчика путем дополнительного измерения R₂(T) еще при двух известных значениях температуры калибровки Т_К1 и Т_К2 и решения полученной системы уравнений.

Зависимость электрического сопротивления R₁ пленочного резистора 2 от температуры Т и относительной влажности Ψ окружающего воздуха запишем в общем виде:

где R₁₀ (T₀, 0) - значение сопротивления пленочного резистора 2 при температуре Т₀ и нулевой влажности; а функция F(T, Ψ) определяется при предварительной калибровке датчика в рабочем диапазоне измеряемых величин и задается либо в виде формулы, либо в виде таблицы.

При размещении датчика на контролируемом объекте и(или) в контролируемой среде с неизвестной температурой Т_х, и влажностью Ψ_х и при пропускании через пленочные резисторы тока I₀ по результатам измерения падения напряжений U_1изм и U_2изм можно определить (рассчитать) значения искомых величин.

Напряжение U_2изм на резисторе R₂, зависимое только от измеряемой температуры Т_х, согласно (2) будет равно

а на резисторе R₁, зависимое и от температуры, и от влажности, соответственно будет равно

Из (2) получаем выражение для определения значения Т_х

При известном значении Т_х значение Ψ_х находится их решения (расчетным путем или из таблицы) уравнения

Таким образом, измеряемые параметры датчика: U₁ на пленочном резисторе R₁ и U₂ на пленочном резисторе R₂, позволяют осуществить одновременное определение текущей температуры объекта, с которым совмещен, нанесен, приклеен гибкий пленочный датчик, и определение влажности окружающей объект среды.

Структура гибкого датчика позволяет его использовать на неровных и деформируемых поверхностях без потери работоспособности, а на погрешность измерения не влияют колебания температуры при ее повышении или снижении, а также влажности. Заявляемый датчик характеризуется простым изготовлением с применением известных материалов, технологических приемов и оборудования.

Claims (1)

1. Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры, содержащий подложку, на которой размещена пленка, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде пластины из гибкого диэлектрического материала, на поверхности которой расположены два полимерных пленочных резистора в виде двух нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками, выполненных в виде одинаковых по размерам прямоугольных полосок, два соседних края которых электрически соединены путем наложения тонкой металлической контактной площадки, а два других края полосок соединены с двумя раздельными металлическими контактными площадками с образованием на одной диэлектрической подложке чувствительного элемента в виде электрической цепи из двух последовательно соединенных полимерных пленочных резисторов, все металлические контактные площадки соединены с гибкими изолированными проводниками, при этом одна нанокомпозитная пленочная полоска вместе с ее контактами с металлическими пленочными площадками покрыта защитным влагонепроницаемым материалом, при этом электрическая цепь подключена к источнику тока, а датчик включает электрическую схему измерения напряжения раздельно на каждом пленочном резисторе.

Images