一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件及其制备方法。该湿敏元件包括两电容极板、设置在所述电容下电容极板内侧的亲水性多孔感湿膜和下电容极板外侧的绝缘层及加热膜、上下电容极板连接电路的引线。所述的电容器由两极薄的金属片电容极板及夹在两极中间的空气制成；所述绝热层材料采用二氧化硅；所述的加热膜为金属薄膜加热材料、优选康铜，通过真空蒸镀的方式制备。该湿敏元件选用多孔皮革为感湿膜，具有加工工艺简单、透气、透湿、水汽交换方便、制造过程中容易添加填充粒子；选用金属薄膜作为加热层使得受热均匀、湿滞小，整个元件具有性能优异、结构简单、价格低廉、适应性极强等优点。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种用于测量湿度的元件，具体涉及一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件及其制备方法。

【背景技术】

湿度是表示空气湿润程度的物理量,可以说无处不在，与人们日常生活息息相关。人们的居住环境、仓储物流、交通运输等领域迫切需求湿度测量和控制技术。尤其是北方的冬天，由于集中供暖，室内湿度经常过低。这种环境下，人们非常容易上火、口干、流鼻血、唇裂、甚至呼吸道疾病。而在南方，多阴雨天气的地区，相对湿度又太高，易使得室内家具、衣服、棉被等生霉、铁器生锈、电子器件易短路。因此，湿度测量在日常生活中是必不可少，湿敏元件则也广泛应用于医疗卫生、燃料电池汽车等领域。随着生活质量的提高，人们对湿敏元件的要求也越来越高，不但要求湿敏元件具有准确可靠等静态特性，而且要求能快速响应测量环境湿度的瞬态变化。然而现有市场化的湿敏元件的动态特性尚不尽如人意，湿敏元件动态响应特性的成果尚不能满足当前的使用要求。并且有些湿敏元件的湿度测量范围较窄，低于10％RH的湿度无法测量。因此，当前亟需结构简单、测量范围宽、测量精确、价格低廉的快速响应湿敏元件。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件及其制备方法，该电容式湿敏元件可用于测量各种环境下湿度的测量，该元件具有结构简单、制备工艺简洁、成品性能好、响应速度快及湿滞小等特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件，包括：

两个电容极板，相对平行设置，上电容极板和下电容极板之间为空气；

多孔感湿膜，由多孔皮革制成，粘贴于下电容极板的内侧；

绝缘层，由二氧化硅构成，设置于下电容极板的外侧；

加热膜，设置于绝缘层上，通电后对湿敏元件进行加热；

两根引线，分别与上电容极板和下电容极板连接，用于和电路连接。

所述的多孔皮革是在转鼓中经物理、化学加工并填充粒子形成，填充粒子为氯化物。

所述的加热膜为无机薄膜加热材料、有机薄膜加热材料或金属薄膜加热材料。

所述的金属薄膜加热材料为康铜。

基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件的制备方法，包括以下步骤：

1)将下电容极板清洗干净，取出后用氮气烘干；

2)将清洗好的下电容极板通过真空蒸镀方式蒸发二氧化硅，完成绝缘层的制备；

3)将完成绝缘层的极板放入烘干箱烘干；

4)再将烘干的下电容极板转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发通电后具有加热功能的薄膜，完成加热膜的制备；

5)将完成加热膜的下电容极板放入烘干箱烘干；

6)将烘干的下电容极板翻转，通过粘贴方法固定添加有填充粒子的多孔皮革，完成感湿膜的制备；

7)将电容器上电容极板及烘干的下电容极板通过刷银浆，制备电极；

8)将引线通过点焊焊接于制备好的电极处；

至此，制备得到一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件。

步骤2)和4)中，真空蒸镀绝热层和加热膜材料分别为二氧化硅和康铜，其厚度分别为10-15nm和10-30nm。

步骤6)中，多孔皮革的厚度为1-2mm，填充粒子为氯化物。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

传统的感湿层采用烧结体，需要足够高的烧结温度，加热层通常使用电阻丝。本发明采用多孔皮革感湿膜作为感湿层，通过粘贴方式制备，整个工艺过程简化，技术难度低，可以进行大批量制造，产品生产率高。采用多孔皮革作为感湿层，由于皮革的多孔已被加工好，所以加工工艺简单，不需要太高温度，另外多孔皮革透气、透湿及水汽交换方便，湿度响应快，湿度测量范围较宽，低于10％RH的湿度均可以进行测量，是一种结构简单、测量范围宽、测量精确、价格低廉的快速响应湿敏元件。还有，多孔皮革制造过程中添加填充粒子容易。绝缘层选用二氧化硅和加热膜选用康铜都采用真空蒸镀方式制备。加热层用薄膜的形式使得受热均匀、湿滞小，可用于测量宽范围低湿和超湿环境下的湿度，适应性极强。

【附图说明】

图1为本发明一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件的示意图。

其中，矩形阴影区域1和2分别为电容器上下电容极板，下电容极板2内侧区域3为多孔亲水性感湿膜，区域3内部的黑点4代表填充粒子，下电容极板2外侧黑色区域5为绝缘层，灰色区域6为加热膜，两条曲线7为引线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图1所示，一种基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件，包括上下平行设置的电容极板1和2、感湿膜3、填充粒子4、绝缘层5、加热层6和引线7。

所述的基于多孔感湿膜的电容式湿敏元件包括平行板电容极板1、2和设置在所述下电容极板2内侧的多孔感湿膜3、下电容极板2外侧的绝缘层5和加热膜6、以及上下电容极板与电路相连的引线7。该电容极板由极薄的金属片制成，两极板中间为空气。

设置在电容极板2内侧的多孔感湿膜3为多孔皮革、氧化石墨烯、多孔Al₂O₃薄膜、聚酰亚胺等材料，通过粘贴或旋涂方法制备，多孔感湿膜优选材料为多孔皮革。该多孔皮革可经过脱毛和鞣制等物理、化学加工形成，里面添加填充粒子完成感湿膜，再通过粘贴方法制备。其里面的填充粒子4为氯化物，如氯化钙、氯化锂等，主要起吸水作用。当吸收水后，填充粒子离解，导电能力增强。

所述绝缘层材料5为二氧化硅，通过真空蒸镀方式制备；

所述的加热膜6为无机薄膜加热材料、有机薄膜加热材料、金属薄膜加热材料等，通过真空蒸镀、磁控溅射、溶胶凝胶等方法制备，优选为金属薄膜加热材料，如康铜。

所述的引线通过真空蒸镀蒸发在电容器上极板和下电容极板的加热膜端引出。

本发明一种基于多孔皮革的新型电容式湿敏元件的制备方法，包括在下极板2内侧通过粘贴或旋涂方法制备多孔感湿膜3，然后通过真空蒸镀、磁控溅射、溶胶凝胶等方法在电容器下极板外侧制备的绝缘层5和具有加热功能的加热薄膜层6，再通过刷浆、印刷方式制备电极，在电极处焊接引线7。

本发明一种电容式湿敏元件的具体制备过程如下，现以部分材料为例进行说明，当然不限于以下材料。电容器两平行极板由极薄的金属片、两极中间为空气制成。感湿膜由多孔皮革及填充粒子形成。

采用具体材料为：电容极板采用极薄的铝片；感湿层由多孔皮革及填充粒子形成，如图1中区域3和4，多孔皮革是经脱毛和鞣制等物理、化学加工所得到的已经变性不易腐烂的动物皮，是由天然蛋白质纤维在三维空间紧密编织构成的。鞣制的主要作用是能在胶原分子链间产生交联，将胶原结构基体间的相互位置固定下来，使胶原纤维束的强度提高。最终达到以下目的：(1)增加纤维结构的多孔性；(2)提高胶原纤维的耐湿热性能；(3)提高胶原的耐化学作用及耐微生物和酶的作用；(4)减少胶原纤维束、纤维、原纤维之间的粘合性；(5)减少湿革的压缩变形；(6)减少湿革在干燥时的收缩程度；(7)减小胶原纤维细微结构排列的规整度。绝缘层采用二氧化硅；加热层选用的材料为金属加热材料康铜；电极选用金、银、铟等的金属材料。

实施例1

一种基于多孔皮革感湿膜的电容式湿敏元件制备过程如下：

1、将电容器下电容极板依次放入洗洁精、丙酮、酒精、去离子水中分别超声清洗，取出后用氮气烘干；

2、将清洗好的下电容极板通过真空蒸镀方式蒸发二氧化硅(厚度为10-15nm)，完成绝缘层5的制备；

3、将完成绝缘层5的极板放入烘干箱烘干；

4、再将烘干的下电容极板转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发通电后具有加热功能的薄膜(厚度为10-30nm)，完成加热膜6的制备；

5、将完成加热膜6的极板放入烘干箱烘干；

6、将烘干的电容器下电容极板翻转，制备亲水性的感湿膜多孔皮革(厚度为1-2mm))，再添加填充粒子氯化锂，通过粘贴方法进行固定到下电容极板内侧，完成感湿膜3的制备；

8、将电容器上电容极板1及烘干的下电容极板2通过刷银浆，再加热的方式或金线、铝线的方式制备电极，优选金线方式；

9、将引线通过点焊焊接于制备好的电极处。

至此，制备得到一种基于多孔皮革感湿膜的电容式湿敏元件。

真空蒸镀绝热层和加热膜材料分别为二氧化硅和康铜，其厚度分别为10-15nm和10-30nm；粘贴法制备的感湿材料为多孔皮革，其对应的厚度为1-2mm，填充粒子为氯化物。电极制备方式优选金线方式。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。