快速响应湿敏元件特性及其测试方法的研究

【摘要】湿度测量和控制技术越来越普遍用于人居环境、医疗卫生、交通运输、仓储物流、制作加工等领域，而燃料电池汽车、医疗卫生等领域亟需快速响应湿度传感元件。因为应用范围相对较窄、湿敏特性影响机理相对复杂等因素，快速响应湿敏元件动态响应特性的研究相对滞后，主要体现在：1）湿敏元件动态响应特性的成果尚不能满足使用的要求；2）亟需简单、可行、精确、低廉的快速响应湿敏元件标定测试系统；3）单一的实验方法获得的成果不能充分揭示各因素对湿敏元件湿敏特性，尤其动态响应特性的影响机理，由于对感湿薄膜孔隙参数等因素缺乏考虑，为数不多的数值模拟研究成果不能全面揭示各因素对湿敏元件动态特性的作用效果。针对以上问题，本文研究旨在充分考虑湿敏元件多孔介质膜孔隙参数对动态特性影响作用的基础上，建立更加有效的数学模型，利用数值模拟方法对湿敏元件动态特性进行研究，提供设计快速响应湿敏元件设计所必需的基础数据；通过合理设计和工艺，得到一个动态特性优良、工艺简单的湿敏元件；研制简单、可行、精确、低廉的快速响应湿敏元件标定测试系统；对本文快速响应湿敏元件的动态特性进行实验研究。湿敏元件的结构型式是快速响应湿度传感元件动态湿敏特性的重要影响因素。本文第二章首先通过深入分析不同结构型式湿度传感元件的湿敏特性及其影响机理，确定了快速响应湿敏元件的研究基于平行板电容式栅状上电极的结构型式。感湿材料是湿敏元件湿敏性能的直接影响因素。鉴于优异的物理、化学性能，特别是湿敏性能改善的巨大潜力，聚酰亚胺材料成为本文研究的首选湿敏材料。本文第三章采用不同的材料合成了不可溶性聚酰亚胺和可溶性聚酰亚胺，并对其孔隙率进行了测试，得出了不可溶性聚酰亚胺孔隙率大于可溶性聚酰亚胺孔隙率和不可溶性聚酰亚胺孔径小于可溶性聚酰亚胺孔径的结论。数值模拟方法省时省力，可有效弥补其他研究方法的不足。基于菲克第二扩散定律、Looyenga和Shibata等模型方程，并充分考虑孔隙率对湿敏元件动态响应特性的重要影响，本文第四章建立了一个用于对湿敏元件动态响应特性进行模拟研究的数值模型和方法，并验证了其有效性，最后以此对湿敏元件动态响应特性不同影响因素的效果进行了研究。研究结果表明：1）吸湿过程的动态响应特性和脱湿过程的动态响应特性没有区别，说明本文模型不适于感湿过程中发生明显水分子凝聚和水-膜分子较强作用的湿敏元件动态特性的研究；2）感湿薄膜孔隙率和扩散系数，以及栅状上电极栅齿宽度和感湿薄膜的厚度对湿敏元件动态特性的影响非常明显。如果对扩散系数和孔隙率进行强化，湿敏元件的动态响应特性将得到明显改善。如果尽可能的控制栅状上电极栅齿的宽度和感湿薄膜的厚度，能有效改善湿敏元件动态响应特性。如果提高湿敏元件的工作环境温度，会在一定程度上改善湿敏元件动态响应特性；3）在相同条件下，当工作环境湿度的跃变范围不同时，同一湿敏元件的动态响应特性也会有所不同，但这种影响很小。结构参数是平行板电容式湿敏元件湿敏性能的重要影响因素，制造工艺是湿敏元件设计参数得以实现的保证。本文第五章基于湿敏元件结构参数和制造工艺的设计，制造了两批次湿敏元件，一批次为栅状上电极尺寸分别为2m、4m、6m的湿敏元件，用以考核电极宽度对湿敏特性的影响；另一批次为湿敏材料分别为不可溶性聚酰亚胺和可溶性聚酰亚胺的湿敏元件，用以考核不同感湿膜对湿敏性能的影响。湿敏元件以P型Si为基片；SiO2氧化层厚度为7600；电极总厚度为10500，方块电阻为44-45；亚胺化后的聚酰亚胺层厚度为5400，使用探针测试介质层大部分不导电，击穿电压均在150V以上，绝缘性能良好；钼-铝上电极厚度为11500，方块电阻为17-19。快速响应标定测试技术和设备是快速响应湿敏元件发展的前提条件。本文第六章首先介绍了一种快速响应湿敏元件动态特性标定测试原理和方法，其次在标定测试原理的基础上，搭建了一个快速响应湿敏元件动态特性标定测试系统。根据结构设计尺寸进行计算及对标定测试数据进行分析得出：原型标定测试系统的响应时间小于250ms，误差小于0.69%，重复性误差小于13.9%。通过选用性能更优的电磁阀、电容测量仪等部件，标定系统的响应时间可进一步提高。结果表明：原型标定测试系统和方法能够满足快速响应湿敏元件动态特性标定测试的要求，并具有简单、准确、低廉、性能稳定等特点。针对本章原型标定测试系统每次测试后平衡时间长的缺陷，提出了系统改进设想原理。本文第七章对两批次湿敏元件样品的湿敏特性进行了测试。结果表明，本文湿敏元件具有优良的湿敏性能，可以满足燃料汽车、医疗卫生等领域的较高要求；栅状上电极的结构尺寸不但对动态响应特性具有显著影响，而且对灵敏度、湿滞等特性也具有影响；基于不可溶性聚酰亚胺湿敏元件动态响应特性优于基于不可溶性聚酰亚胺的湿敏元件，说明孔隙率不是影响多孔介质感湿薄膜扩散系数的唯一因素，但灵敏度则相反。最后，论文给出了结论和创新点：1）论文通过合理的设计和工艺，获得具有湿-容特性曲线线性度好、灵敏度高、湿滞小、性能稳定、快速响应等特性的湿敏元件；2）建立了考虑感湿薄膜孔隙率对扩散系数影响的数学模型，该模型更加合理有效；3）提出标定方法和研制了标定系统，该系统满足快速响应湿敏元件动态响应特性标定要求，且简单易行、精确低廉，动态响应时间短。
【作者】周文和；
【导师】王良璧；
【作者基本信息】兰州交通大学，供热、供燃气、通风与空调工程，2014，博士
【关键词】湿度传感器；电容型湿敏元件；动态响应特性；

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