TWI289202B - Humidity sensor and its fabricating method - Google Patents

Description

1289202 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種濕度感測器，尤指一種以具有親水 性的離子性高分子聚合物作為感測材料的濕度感測器，更 5 包括一種濕度感測器的製造方法。 【先前技術】

10 15 20 隨著時代的發展，科技、農業、紡織、機房、航空航 太、電力等工業部門，越來越需要採用濕度感測器，對産 品質量的要求越來越高，對環境溫度、濕度的控制以及對 工業材料水份值的監測與分析都已成爲標準技術條件之 一。濕度是指空氣中水分之含量，就工業製程而言，較佳 的濕度控制約在0-20%RH間，若濕度在2〇%RH時，藥物、 食品、電子半導體等物件便開始變質，而在35%RI^f，金 屬和電子製品等開始出現氧化或機件老化的嚴重情況，於 60%RH高濕時，攝影資訊光學等器材以及紙類紡織品更易 因發黴而不堪使用，因此濕度的量測為非常重要的一環。 濕度感測器的基本形式係在基板上塗覆感濕材料以形 成感濕膜，當空氣中的水蒸汽吸附於感濕材料後，元件的 阻抗、介質常數會發生很大的變化，而形成濕度敏感性元 件，此利用水份影響導電性的原理，更可用以製作濕度感 測器，以感測溫室内空氣是否達到飽和結露狀態。 一般習知的濕度感測器係使用金材質的梳形電極及不 同的濕度感測材料，其在市面上價格較昂貴，另習知金屬 5 1289202 氧化物類型之感測器，使用類似Ic晶圓式製程製作，其製 備過程繁項，且材料及製程費用價格昂貴，均無法普及民 生需求使用。 目前高分子材料製程的應用上雖不及金屬氧化物類型 5的感測器，但近幾年來，高分子聚合製程的發展迅速， 加^此類型材料擁有靈敏纟高、成本低、製成簡易等優點， 故咼分子式的濕度感測器被大量且迅速開發著，例如中華 民國專利公報第507073號案中所述係使用具有烯鍵不飽和 基團之導電性聚合物的經交聯產物，又如中華民國專利公 10報第510965號案中則提供一種以矽烷類改質的2-丙醯胺基 -2-甲基丙石禮之聚合材料作為濕度感測材料，皆顯示高分 子材料製程正積極的開發中。 然目前咼分子材料製程係由於感測對數線性化以及安 定性的問題，應用上無法如金屬氧化物類型的感測器廣 15 泛，因此，仍有很大開發的潛能。 > 【發明内容】 本發明之主要目的係在提供一種濕度感測器，其包 括· 一基板，至少二長形電極，其係分別形成於該基板上， 20每一長形電極各有一第一端及第二端；至少一對梳形電 極，係分別與該至少二長形電極的第一端接觸；以及一濕 度感測膜，係含一具有親水性的離子性高分子聚合物，且 形成於該至少一對梳形電極上，且不與該至少二長形電極 的第二端接觸。 1289202 本發明之另一目的係在提供一種濕度感測器之製造方 法，其步驟包括：⑷提供—含至少二長形電極之基板，該 至少-長形電極各含有—第一端及第二端；⑻於該基板上 形成至少一對相間但不相接觸之梳形電極，且該梳形電極 係分別與該基板上之二長形電極的第一端接冑；以及⑷將 邊梳形電極浸泡於一濕度感測材料溶液中形成一濕度感測 膜，其中該濕度感測材料係含具有親水性的離子性高分 聚合物。 °

10 15 本發明中之濕度感測器，係為一種電阻式之濕度感測 器，其能隨環境中相對濕度的變化而產生對數線性的電阻 值變化，依此回饋控制信號，電器設備，例如除濕裝置、 冷氣空調可控制調整環境之相對濕度。 本發明適用的基板可為習知之任何一種基板，如陶究 基板、電木基板或玻璃纖維板，較佳地為具備有一對電極 之一陶瓷基板。 、^ 該電極係可使用金膠、銀膠或碳膠之導電材料，較佳 地係使用銀膠，更佳地係為一種玻璃纖維膠系的銀膠。 於基板上所形成之梳形電極材料可以是習用之任何一 種電極用之導電材料，如金膠、銀膠、碳膠，較佳地係為 本發明濕度感測材料係可為任何一種具有親水性的離 子性高分子聚合物，例如績酸根㈤3h)、a基（_qh)或酸相 (-COOH)離子等離子鍵單體所構成的高分子聚合物，較佳二 係使用含續酸根之聚合物’更佳地係為聚苯乙烯確酸鈉 20 1289202 (Sodium Polystyrenesulfonate ; NaPSS) ° 本發明之製作方法中，步驟（b)中之形成方式可為習用 之任何一種，較佳可以網版印刷形成；而在步驟（1))完成後， 步驟（C)進行前，可更包括一步驟（bl)，將基板烘乾，以使 5步驟（b)所塗覆之導電膠可完整的固定附著於基板上；而在 最後步驟（C)完成後，更可包括-步驟（cl)，將該基板供乾。 【實施方式】 9製備例 10 m度感測材料之選用：係選用聚苯乙烯韻鈉（sodium P〇iystyrenesulfonate; NaPSS)粉材，經與水調配製得而成 溶液狀，為-種離子性高分子聚合物，具有良好的親水性， 在遇到水氣時會解離，解離後經離子流動而產生導電性。 銀電極的製作：使用網版印刷之方式將玻璃纖維膠系 、田銀膠印刷在陶究基板上，再放人高溫燒結爐内用85代高 錢結（5G分鐘加溫段，财鐘定溫段），形成可焊接端子之 零 銀電極。 Ά電極·使用網版印刷之方式將自行調製的碳膠印 陶瓷基板上，印刷之圖形一端為彼此交又但不相接觸 扭電極H各連接到銀電極，經紅外線乾燥爐 九、烤230 C、8分鐘後固化完成。 程，二膠，製作：其係、主要使用於可變電阻器厚膜印刷製 一 人…、石墨、紛駿樹脂、醇類溶劑，使用三清筒 研磨刀政機分散均勻後，濃縮製成，可得碳粉25%、盼駿樹 20 1289202 脂65%以及醇類溶劑10%的重量百分率濃度。 濕度感測材料溶液之製作：將聚苯乙烯磺酸納高分子 粉末加入純水中，使重量濃度達1.5%〜2%，使用加熱授掉 器稅拌’直到聚苯乙烯項酸納高分子粉末完全溶解於水中。 5 實施例 本發明濕度感測器之製作過程可參考圖1。 首先用網版印刷銀電極2,3於陶瓷基板l(Al2〇3)上，如 圖la所示，其中陶瓷基板的厚度為〇 635mm、面積為1〇如 5.1mm，再用網版印刷方式印刷碳膠於陶瓷基板上形成梳形 10 電極4，如圖1 a’，後將陶瓷基板放入超音波洗淨機内之水中 震盪洗淨5分鐘，再放入溫風乾燥爐内烘乾（5〇°c、30分鐘）， 如圖lb所示，將陶瓷基板之梳形電極4側浸泡至濕度感測材 料溶液中（梳形電極4必須完全浸入，銀電極端子焊錫處3不 可浸泡）約10分鐘，後放置於溫風乾燥爐内烘乾（5(rc、1〇 15 分鐘），陶瓷基板上有浸泡到濕度感測材料溶液的地方會形 成透明之濕度感測膜5，如圖lc。 > 濕度感測器的評估 將本濕度感測器放置於恆溫恆濕機内測試，溫度固定 於25°C，使用LCR計（設定1.0V、1000Hz)連接濕度感測器的 20 銀電極端子焊接處量測濕度感測器的電阻值，分別測試在 濕度20%、30%、......至90%時濕度感測器的電阻值。濕度 對於濕度感測器的電阻值之對數表中，電阻值變化會呈現 一直線性’其測試結果如表一’係顯示濕度由3〇%、 40%、…90%的電阻值，而電阻值的單位為ΚΩ。 1289202 表一 編號 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 1 1050 235 91 32 12 6.5 4.65 2 710 155 60 23 8.4 u4·6 3.46 3 820 190 73 25 9.6 4.7 3.95 4 785 18—5 70.5 25 9.6 5.7 4.13 860 198 76 26 10.1 5.7 4.0 ~6~~ 770 179 67.5 23 9.4 3.3 7 740 169 62.5 21 8.4 5.0 3.33 8 715 170 64.5 23 8.7 5.3 3.63 9 695 164.5 61 22 8.4 5.3 3.93 10 855 200.5 77 27 10.1 5.7 3.98 —11 1060 242 87.5 28 10.7 5.5 3.08 12 750 173 64 21 8.5 5.0 3.5 13 840 196 76.6 24 10.1 5.7 3.96 14 850 195 70 22 9.1 5.2 3.64 15 860 204.5 73 25 9.6 5.2 3.22 16 945 226 80 28 10.7 6.1 4.17 17 955 237 85 29 10.6 6Κ 4.14 進一步地，由表一中30%、40%、…9〇〇/0各取其最大值、 平均值以及最小值可得表二之結果，將其製作成如圖2所示 將所得之電阻值對數化。由圖2可知當相對濕度越高時，其 電阻值越低，且兩者之間的變化呈一對數線性，顯示有良 好的對數線性化以及安定性的效果，故可依此回饋控制信 號，以達到可控制調整環境的相對濕度。 表二 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 最大值 1060 290 91 32 12 6.5 4.65 平均值 839 230 73 25 9.6 5.5 3.8 最小值 695 190 61 21 卜7.1 4.6 3.08 10 1289202 而舉例而已 圍所述為準 ’本發明所 ’而非僅限 上述實施例僅係為了方便說明 主張之權利範圍自應以申請專利範 於上述實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明實施例1之製備結構平面圖。 圖2係本發明之電阻值與相對濕度測試結果圖。 【主要元件符號說明】 1陶瓷基板 2銀電極 3f 4梳形電極 5濕度❹m 、、極端子烊锡處

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Claims (1)

15 20 96年6月修正頁 it- 更)正本， 十、申請專利範圍： 1· 一種濕度感測器，其包括： 一基板； 至少二長形電極，其係分別形成於該基板上，每一長 形電極各含有一第一端及第二端； 至少一對梳形電極，係分別與該至少二長形電極 一端接觸；以及 一濕度感測膜，係含—聚苯乙烯續酸納（S〇dium p〇iystyrenesulf〇nate; NaPSS) ’且形成於該至少—對梳形電 極上且不與s亥至少二長形電極的第二端接觸。 2·如申請專利範圍第1項所述之濕度感測器 基板為一陶瓷基板。 3·如申請專利範圍第^所述之濕度感測器 至少一長形電極係為銀電極。 ，如申請專利範圍第1項所述之濕度感測器 至少二長形電極的第二端係為銀電極燁錫處。 炉丄如申請專利範圍第1項所述之濕度感測器 木,L形電極係為含碳膠之電極。 ㈣專利範圍第1項所述之濕度感測器 梳形電極係為四對梳形電極。 7· 一種濕度感測器之萝生 入裔之方法，其步驟包括·· (a)k供一含至少二長 雷搞夂人士 々冤極之基板，該至少-异拟 電極各含有一第一端及第二端·， 〃 一長形 其中該 其中該 其中該 其中該 其中該 12 1289202 (b)於該基板上形成至少一對相間但不相接觸之梳形 電極，且該梳形電極係分別與該基板上之至少二長形電極 的第一端接觸；以及 (c)將忒梳形電極浸泡於一濕度感測材料溶液中形 成-濕度感測膜，*中，該濕度感測材料係含一聚苯乙稀 項酸鈉（Sodium PGlystyrenesulf刪te ;猜叫。

10 8.如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該步 驟（a)中之s亥基板係為—陶瓷基板。 其中該長 9.如申請專利範圍第7項所述之製造方法 形電極係為銀電極。 15 .如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該至 少二長形電極的第二端係為銀電極焊錫處； ，·如申請專利範圍第7項所述之製造方法 形電極係為含碳膠之電極。 12·如申請專利範圚筮 ^ ^ ^ ^ m 弟7項所述之製造方法 /電極係為四對梳形電極。 其中該梳 其中該梳 參 20 13·如申請專利範圍第 驟（b)係以網版印刷之方式带成之4造方法，其中該步 14·如申請專利範圍 步驟⑻完成後，該㈣’其中於該 該基板烘乾。 灵包括一步驟（bl)，將 15·如申請專利範圍第？項 步驟（c)完成後，更包括^ 、厅迷之製造方法，其t於該 。括-步驟⑼，將該基板供乾。 13