一种聚酰亚胺(PI)感湿膜平行板电容式湿敏元件及其特性模拟研究

摘要

湿度测量和控制正日渐密切于社会生活、工农业生产、交通运输、仓储运输、医药卫生、国防科技、气象预报等领域，具有优异湿敏特性的湿度传感元件是湿度精确测量和控制的先决条件。如呼吸系统疾病诊断、燃料电池汽车等一些领域，不但要求湿度传感元件微型化、具有良好的静态湿敏特性，且对其动态湿敏特性提出了较高要求。
　　由于用途相对不广、影响因素较复杂，湿敏元件的动态湿敏特性的研究及成果相对滞后，与湿敏元件静态湿敏特性的普遍关注和显著进步形成了较大反差。主要表现为：（1）国内外湿度传感元件市场产品的动态响应时间不够快；（2）由于材料成本或工艺复杂等原因，快速响应湿敏元件的研究成果难于量化；（3）因影响因素较多，通过实验方法对微型湿敏元件动态湿敏特性进行全面研究难于实现，现有实验研究成果不能充分说明各因素对湿敏元件动态响应特性的影响机理；（4）湿敏元件动态特性的模拟研究较少，研究成果的利用价值不高，尤其对基于多孔上电极平行板电容式湿敏元件的数值研究几乎没有。
　　针对湿度测量和控制领域存在的上述问题，本文首先在充分分析平行板电容式湿敏元件动态感湿机理及缺点的前提下，设计了基于孔状上电极的平行板电容式湿敏元件；其次依据菲克第二扩散定律、Shibata和Looyenga等方程，并考虑多孔介质孔隙率对湿敏元件动态特性的影响，构建了模拟数值模型，采用Fluent软件对各因素对湿敏元件动态特性的影响进行了数值模拟研究，包括上电极孔径和间距、感湿薄膜厚度、薄膜有效扩散系数等，得出了快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件的最佳设计参数；然后，根据数值模拟结果，研制了快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件；最后对快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件的静、动态特性进行了实验研究。
　　通过本文研究，可以得出以下结论：
　　（1）本文研制的孔状上电极平行板电容式湿敏元件可以有效克服栅状上电极平行板电容式湿敏元件结构对动态响应特性的影响，其动态响应特性更优越。
　　（2）本文构建的数值模型及方法，可有效用于平行板电容式湿敏元件湿敏特性的数值研究。
　　（3）多孔上电极孔间距、孔半径、薄膜厚度和有效扩散系数等对湿敏元件动态特性影响显著。较大的有效扩散系数和较小的孔间距、薄膜厚度，均有利于改善湿敏元件动态响应特性；而对于不同上电极孔半径，动态响应特性曲线存在交点，但当上电极孔半径较小时，最终达到全量程的响应时间较小。
　　（4）本文使用的基于饱和盐溶液法进行的静、动态湿敏特性测试装置和方法具有简单、精确、低廉、应用方便等优点。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

2 平行板电容式湿敏元件及其感湿机理

2.1 湿敏元件特性参数

2.2 湿敏元件的分类

2.3 平行板电容式湿敏元件感湿机理

2.4 本章小结

3 多孔上电极平行板电容式湿敏元件及其动态特性数值模拟

3.1 数值计算思路

3.2 物理模型

3.3 数学模型

3.4 数值模拟方法

3.5 数值模拟结果与分析

3.6 本章小结

4 多孔上电极平行板电容式湿敏元件的制造

4.1 湿敏元件的设计

4.2 湿敏元件的工艺制造

4.3 本章小结

5 多孔上电极平行板电容式湿敏元件的湿敏特性测试

5.1 静态实验装置与测试方法

5.2 静态测试数据与分析

5.3 动态测试实验装置与方法

5.4 动态实验数据与分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果