專利名稱：高分子電阻型濕度傳感器元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濕度傳感器，尤其是涉及一種高分子電阻型濕度傳感器元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
今天人類已步入信息時(shí)代，如何真實(shí)而迅速地認(rèn)識(shí)和處理各種信息已成為社會(huì)和人們的迫切需求。傳感器作為捕捉信息的器件隨之迅速發(fā)展，在現(xiàn)代高速信息社會(huì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。濕度傳感器是一類重要的化學(xué)傳感器，在倉(cāng)貯、工業(yè)生產(chǎn)、過(guò)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家用電器、氣象等方面有著廣泛的應(yīng)用。目前，高分子型濕度傳感器由于具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。其中高分子電阻型濕度傳感器，更以其良好的響應(yīng)特性、測(cè)濕范圍寬、制造簡(jiǎn)便、易于集成化、低成本等優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)。但高分子型溫度傳感器普遍存在一致性差、長(zhǎng)期可靠性不夠理想、耐高濕性差以及不耐化學(xué)氣氛等缺點(diǎn)。多年來(lái)一直制約和阻礙了其實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。因此，探索新的高精度、高可靠性、長(zhǎng)壽命的濕度敏感材料，改善和提高其穩(wěn)定性、可靠性，已引起各國(guó)科學(xué)家的極大關(guān)注和興趣，成為濕度傳感器進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高分子電阻型濕度傳感器元件及其制造方法，通過(guò)采用一種季銨化聚丙烯酸酯類高分子濕度敏感介質(zhì)，在多孔陶瓷的開(kāi)孔中物理的形成一種立體式網(wǎng)狀薄膜，提高濕度傳感器元件的長(zhǎng)期可靠性及化學(xué)氣氛抵抗性。同時(shí)使工藝流程簡(jiǎn)單、高效、可操作性強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)所述濕度傳感器元件低成本、大批量的生產(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種高分子電阻型濕度傳感器元件，包括多孔陶瓷基體；所述基體上、下表面分別布置有上、下表面電極，所述上、下表面電極上連接有引線；多孔陶瓷基體開(kāi)孔中浸有感濕介質(zhì)，以形成立體濕度感應(yīng)薄膜。
所述多孔陶瓷基體為二氧化硅摻雜的三氧化二鋁多孔陶瓷基體。
所述感濕介質(zhì)包括季銨化丙烯酸酯單體聚合得到的聚合物或共聚物。
一種高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，包括如下步驟a.在多孔陶瓷基體的上、下表面分別布置上、下表面電極；b.將多孔陶瓷基體浸入感濕介質(zhì)，使基體的開(kāi)孔中浸有感濕介質(zhì)，形成立體濕度感應(yīng)薄膜；c.焊接引腳、裂片，得到濕敏元件；d.對(duì)裂片后的濕敏元件進(jìn)行老化處理，從而得到高分子電阻型濕度傳感器元件。
所述多孔陶瓷基體為二氧化硅摻雜的三氧化二鋁多孔陶瓷基體。
在步驟a之前還包括對(duì)所述多孔陶瓷基體進(jìn)行清潔預(yù)處理的步驟。
在所述的步驟d之后還包括e.對(duì)所述的傳感器元件進(jìn)行檢測(cè)。
所述的老化處理是指在40℃/70％RH環(huán)境下放置7天，然后在自然環(huán)境下放置15天。
步驟b借助真空環(huán)境進(jìn)行。
所述感濕介質(zhì)包括季銨化丙烯酸酯單體聚合得到的聚合物或共聚物。
本發(fā)明的有益效果在于，所述高分子電阻型濕度傳感器元件制造工藝簡(jiǎn)單可靠、成本低、無(wú)需專有設(shè)備、易于批量生產(chǎn)，并且所生產(chǎn)的元件輸出線性度高、濕滯回差小、耐高溫、一致性好，同時(shí)具有優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和極佳的化學(xué)氣氛抵抗性。


圖1為陶瓷基體的剖面圖；圖2為在陶瓷基體上下表面布置電極后的剖面圖；圖3為在陶瓷基體上下表面布置電極并浸入感濕介質(zhì)后的剖面圖；圖4為本發(fā)明的濕度傳感器元件的主視示意圖；圖5為本發(fā)明的濕度傳感器元件的側(cè)視示意圖。
主要圖號(hào)說(shuō)明1-多孔陶瓷2-電極3-立體網(wǎng)狀濕度敏感薄膜4-引腳5-焊點(diǎn)注圖中電極厚度與多孔陶瓷厚度不成比例。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖3為在陶瓷基體上下表面布置電極并浸入感濕介質(zhì)后的剖面圖，圖4為本發(fā)明的濕度傳感器元件的俯視圖，圖5為本發(fā)明的濕度傳感器元件的側(cè)視圖。如圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明的高分子電阻型濕度傳感器元件包括多孔陶瓷基體1，電極2以及立體濕度敏感薄膜3，此外還包括焊接的引腳4。本實(shí)施例中，所述的多孔陶瓷基體1為二氧化硅摻雜的三氧化二鋁多孔陶瓷基體(但并不以此為限，還可為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的可用于濕度傳感器的任何多孔陶瓷材料)，該陶瓷基體具有致密的開(kāi)孔，如圖1所示。
所述電極2包括上表面電極和下表面電極，分別設(shè)置在陶瓷基體的上表面與下表面，本實(shí)施例中電極的材料為二氧化釕，如圖2所示。所述電極材料也可以是金或者化學(xué)沉積碳等，但并不限于此。
所述的立體濕度敏感薄膜形成于設(shè)有電極的基體表面與多孔中，是通過(guò)將基體浸入感濕介質(zhì)中形成。本實(shí)施例中，感濕介質(zhì)為一種季銨化丙烯酸酯單體聚合得到的高分子聚合物或共聚物。所述單體結(jié)構(gòu)如下
其中，R1～R4分別代表相同或不同的烷基。本發(fā)明通過(guò)采用一種季銨化聚丙烯酸酯類高分子濕度敏感介質(zhì)，在多孔陶瓷的開(kāi)孔中物理的形成一種立體式網(wǎng)狀薄膜3。而傳統(tǒng)傳感器的感濕膜一般都是浸涂于基體表面的二維平面薄膜。本發(fā)明的立體薄膜大大提高了濕度傳感器元件的長(zhǎng)期可靠性及化學(xué)氣氛抵抗性。
通過(guò)以下的工藝可以制備出本發(fā)明的高分子電阻型濕度傳感器1、多孔陶瓷基體預(yù)處理本實(shí)施例中所用的多孔陶瓷基體的長(zhǎng)49.9mm，寬47mm，厚0.5mm，用超聲波清洗除去塵埃等異物。
2、布置電極本實(shí)施例是在多孔陶瓷基體上下兩面通過(guò)絲網(wǎng)印刷布置二氧化釕電極，分別形成上、下表面電極。所述二氧化釕電極要能形成多孔，而不能遮蔽多孔陶瓷的開(kāi)孔。所述電極也可以通過(guò)傳統(tǒng)真空鍍膜或光刻等其它工藝布置到基體兩面。
3、浸入感濕介質(zhì)，成膜將感濕介質(zhì)溶于諸如乙醇、丙酮等溶劑中形成10～30％的溶液，當(dāng)然本發(fā)明并不限定于上述溶劑與濃度。將多孔陶瓷基體浸入如上所述的溶液中，使感濕介質(zhì)進(jìn)入陶瓷基體的多孔中，隨著溶劑的揮發(fā)感濕介質(zhì)形成一種立體網(wǎng)狀濕度敏感薄膜，此過(guò)程可在真空環(huán)境下進(jìn)行，例如將布置好電極的多孔陶瓷基體置于真空環(huán)境中30分鐘，之后通過(guò)滴注裝置浸入感濕介質(zhì)，并使整個(gè)體系繼續(xù)在真空環(huán)境中保持30分鐘，隨后卸去真空將基體置入80℃烘箱中，12小時(shí)后取出。但上述參數(shù)僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
4、焊接引腳、裂片，即得到濕敏元件5、老化對(duì)裂片后的濕敏元件進(jìn)行老化處理，從而得到高分子電阻型濕度傳感器元件。如所述的老化過(guò)程可以為在40℃/70％RH環(huán)境下放置7天，然后在自然環(huán)境下放置15天。
6、檢測(cè)制得的濕敏元件經(jīng)老化和檢測(cè)后，即可得到高分子電阻型濕度傳感器元件。
以下為本發(fā)明所提供的濕度傳感器元件性能測(cè)試結(jié)果1.基本特性本發(fā)明提供的濕度傳感器元件具有寬量程、低濕滯、高精度以及溫度系數(shù)小等基本特性。
表1.濕度傳感器元件的基本特性

注1長(zhǎng)時(shí)間(約1000小時(shí)以上)高濕(≥90％RH)使用會(huì)造成元件阻抗漂移(～±3％RH)
2.長(zhǎng)期可靠性本發(fā)明提供的濕度傳感器元件經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有長(zhǎng)時(shí)間極端高低溫、長(zhǎng)時(shí)間高濕、熱沖擊、濕度沖擊以及長(zhǎng)時(shí)間電壓激勵(lì)等。結(jié)果表明，濕度傳感器元件具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，特別是耐熱沖擊和濕度沖擊。表2為本發(fā)明濕度傳感器元件的長(zhǎng)期可靠性測(cè)試結(jié)果表。
表2.濕度傳感器元件的長(zhǎng)期可靠性

注1.濕度傳感器在每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后允許在室溫下回復(fù)24小時(shí)。
2.分別測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后濕度傳感器元件在25℃/50％RH下的輸出。
3.化學(xué)氣氛抵抗性濕度傳感器經(jīng)常會(huì)暴露于充滿各種化學(xué)氣氛的環(huán)境中工作，化學(xué)氣氛抵抗性是衡量傳感器競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)一個(gè)重要的因素，會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和可靠性。本發(fā)明提供的濕度傳感器元件具有優(yōu)良的化學(xué)氣氛抵抗性。表3為濕度傳感器的化學(xué)氣氛抵抗性測(cè)試結(jié)果。
測(cè)試說(shuō)明(1)密封容器中分別盛有150ml相關(guān)化學(xué)液體，十支濕度傳感器元件被懸掛在化學(xué)液體表面10cm之上。
(2)試驗(yàn)中，傳感器周期性地被移出，測(cè)試其在25℃/50％RH的輸出。
(3)下表中“F”表明濕度傳感器失效。
表3.濕度傳感器的化學(xué)氣氛抵抗性

通過(guò)如上說(shuō)明可知，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果由于丙烯酸酯類聚合物在基材的多孔內(nèi)能夠物理地形成一種立體式網(wǎng)狀薄膜，極大地提高了濕度傳感器元件的長(zhǎng)期可靠性以及化學(xué)氣氛抵抗性。同時(shí)本發(fā)明提供的生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單、高效、可操作性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)低成本大批量地生產(chǎn)濕度傳感器元件。
本發(fā)明由于采用了一種季銨化聚丙烯酸酯類高分子濕度敏感介質(zhì)——在多孔陶瓷中物理的形成一種立體式網(wǎng)狀薄膜，整個(gè)元件的制造工藝流程簡(jiǎn)單可靠、成本低、無(wú)需專有設(shè)備、易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。所生產(chǎn)的元件輸出線性度高、濕滯回差小、溫度系數(shù)小、耐高濕、一致性好，同時(shí)具有優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和極佳的化學(xué)氣氛抵抗性。
以上具體實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種高分子電阻型濕度傳感器元件，其特征在于包括多孔陶瓷基體；所述多孔陶瓷基體上、下表面分別布置有上、下表面電極，所述上、下表面電極上連接有引線；多孔陶瓷基體開(kāi)孔中浸有感濕介質(zhì)，以形成立體濕度感應(yīng)薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電阻型濕度傳感器元件，其特征在于所述感濕介質(zhì)包括季銨化丙烯酸酯單體聚合得到的聚合物或共聚物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電阻型濕度傳感器元件，其特征在于所述多孔陶瓷基體為二氧化硅摻雜的三氧化二鋁多孔陶瓷基體。
4.一種高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于包括a.在多孔陶瓷基體的上、下表面分別布置上、下表面電極；b.將多孔陶瓷基體浸入感濕介質(zhì)，使基體的開(kāi)孔中浸有感濕介質(zhì)，形成立體濕度感應(yīng)薄膜；c.焊接引腳、裂片，得到濕敏元件；d.對(duì)裂片后的濕敏元件進(jìn)行老化處理，從而得到高分子電阻型濕度傳感器元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于所述多孔陶瓷基體為二氧化硅摻雜的三氧化二鋁多孔陶瓷基體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于在步驟a之前還包括對(duì)所述多孔陶瓷基體進(jìn)行清潔預(yù)處理的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于，在步驟d之后還包括e.對(duì)所述的傳感器元件進(jìn)行檢測(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于，所述的老化處理是指在40℃/70％RH環(huán)境下放置7天，然后在自然環(huán)境下放置15天。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于，步驟b借助真空環(huán)境進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分子電阻型濕度傳感器元件的制造方法，其特征在于所述感濕介質(zhì)包括季銨化丙烯酸酯單體聚合得到的聚合物或共聚物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高分子電阻型濕度傳感器元件及其制造方法，所述的高分子電阻型濕度傳感器元件包括多孔陶瓷基體；所述基體上、下表面分別布置有上、下表面電極，所述上、下表面電極上連接有引線；多孔陶瓷基體開(kāi)孔中浸有感濕介質(zhì)，以形成立體濕度感應(yīng)薄膜。本發(fā)明的高分子電阻型濕度傳感器元件制造工藝簡(jiǎn)單可靠、成本低、無(wú)需專有設(shè)備、易于批量生產(chǎn)，并且所生產(chǎn)的元件輸出線性度高、濕滯回差小、耐高溫、一致性好，同時(shí)具有優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和極佳的化學(xué)氣氛抵抗性。
文檔編號(hào)G01N27/12GK101059466SQ20061007660
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者何魯敏 申請(qǐng)人:北京亞都室內(nèi)環(huán)?？萍加邢薰?