聚合物型的溼度傳感器的製作方法
2023-04-22 23:51:06 1
專利名稱：聚合物型的溼度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及溼度傳感器，詳細講，涉及在諸如微波爐等產品中應用的聚合物型溼度傳感器及其生產方法。
溼度是一個通用的公共環境參數，而其控制在各個領域，比如在與精密製造，纖維，食品，以及電子工業相關的工業領域中，被認為是非常重要的。
在微波爐中，用紅外線溫度傳感器，氣體傳感器或溼度傳感器對正製作的食品的加熱或烹製狀態進行檢測。與其他傳感器相比，雖然紅外線溫度傳感器精度高，但是其售價高，且會由於食品容器的類型或形狀而引起誤差。氣體傳感器比紅外線傳感器便宜。但是，對於隨著各種食品的類型的不同，甚至對於單一類型的食品而生成的各種氣體，氣體傳感器不能有選擇地探測所要求的氣體。與此相反，溼度傳感器相當便宜。溼度傳感器的設計目的在於對加熱時各種類型的食品所生成的水分子或溼氣進行檢測並據此對食品的烹製狀態進行檢測。由於這些優點，溼度傳感器目前已成為通用微波爐中應用最為廣泛的傳感器。
用MgCr2O4-TiO2固溶體晶片製作的通用的溼度傳感器首先由Nitta etal。，(美國4,080,564)開發出來。接著，利用TiO2-V2O5，MgAl2O4，ZnCrO-LiZnVO4，Al2O3等材料開發出陶瓷型溼度傳感器。後來，又報導了用聚合物為材料的溼度傳感器。最近，利用CMOS技術，以薄膜或MOS電容器溼度傳感器為方向的開發又在積極進行。陶瓷或薄膜型溼度傳感器的製作會相對簡單一些，但是，其可復現性及耐汙染性差，而且，薄膜或MOS電容器型生產工序複雜。
由於其可塑性，輕便性，耐腐性，以及電氣絕緣性，近幾十年來，有機聚合材料得到了廣泛應用。然而，由於與無機材料相比其固有的特性，如硬度，耐磨性，以及傳導性要低，有機聚合材料的應用又受到了限制。但是最近在聚合物輻射方面的進展已使對聚合物的物理及化學性質進行修改成為可能。(化學處理，加熱，以及作為輻射的X射線，伽馬射線，紫外線以及/或者高能電子束輻射的推廣。)在工業及醫學領域，如醫療方面，已獲得大量應用，包括聚合變換，表面塗敷，加熱套裝管，熱阻與電阻絕緣體的生產，生物醫學材料的開發等。
另外，聚合技術已發展到可在聚合物相對應的兩端設置電極的程度，因此就可以用聚合物製作電阻傳感器。聚合物的極化可以通過注入離子或在乾燥工序中施以強大的外電場的被稱為離子變換的方式來實現。該技術是通過要求施加強大電場(電壓)的高能輻射來完成的。具有高能離子射束的技術還能改善聚合物的導電性，並已發展到在通信領域的波導管中獲得應用的程度。
圖1示出了在諸如微波爐系統10的環境中應用的通用溼度傳感器4，比如說陶瓷溼度傳感器4的應用。磁控管2輻射生成用於烹製食品3的高頻電磁波。烹製期間，陶瓷溼度傳感器探測食品3發出的溼氣(未示出)，並向對磁控管2進行控制的微機5輸出信號。通常，常用的陶瓷溼度傳感器4是用基於MgCr2O4-TiO2的半導體陶瓷製成的。
圖1A示出了與由基於MgCrO4-TiO2的半導體陶瓷構成的陶瓷溼度傳感器4的表面接觸的溼氣。當溼氣形成的小水滴41通過陶瓷溼度傳感器4表面上的大量小孔42而進入陶瓷溼度傳感器4時，由於改變了電阻，使傳感器的電阻下降。
利用溼度傳感器4對溼度變化進行的檢測是基於在溼度傳感器4中使用的溼敏材料的電阻或電容的變化而進行的，這樣，這種變化就取決於吸入或凝結在溼敏材料上的溼氣。用於溼度傳感器4的溼敏材料包括電解質，如LiCl；金屬材料，如Se(硒)和Ge(鍺)，金屬陶瓷氧化物，如MgCr2O4，ZnCr2O4，TiO2，以及SnO2；可滲透性金屬氧化物薄膜，如Al2O3；導電微粒擴散性聚合材料，如尼龍；以及有機或無機的聚合電解質薄膜。
用陶瓷材料製成的溼度傳感器4所適用的溼度範圍廣，而且耐熱性佳。但是，由於所使用的金屬氧化物的性能不穩定，即使是在溫度留有餘地的時候使用，溼度傳感器的性能也要隨著時間而發生變化。尤其是，由於金屬氧化物對水的吸收形成氫氧化物，或者由於導致溼敏表面面積減小的沉附作用，在較短時間內對溼氣的敏感性就產生退化。因此，溼度傳感器被要求每20-40分鐘，間歇性地加熱至400-450以恢復其性能。
另外，由於陶瓷基溼度傳感器4對溼氣的敏感能力從根本上講取決於陶瓷通過細孔42對溼氣的物理吸附，就難以降低敏感器件之間的檢測誤差。通過材料性能以及微觀結構如孔徑，細孔分布，和孔隙密度的變換來獲得可靠的檢測性能也是困難的。
以合成樹脂，尼龍等為代表的聚合物是用由簡單分子結合而成的大分子製成的物質，稱為單體。聚合物型溼度傳感器的設計目的在於對傳感器電阻或電容進行量化以確定溼度。在溼度傳感器4中使用的有機聚合物的範例包括聚苯基乙炔，醋酸纖維素，醋酸-丁酸纖維素，聚乙烯，以及各種異分子聚合物。但是，目前的溼度傳感器4使用的通用聚合物材料響應速度低，滯後現象嚴重，平均壽命短。在暴露於高溼以及高相對溼度的情況下，這些缺陷猶為嚴重。
與瓷基溼度傳感器不同，基於薄膜材料如聚合電解質薄膜的溼度傳感器4利用的是溼敏材料本身具有的特性，如吸水性與離子導電性。因此，敏感特性是由材料的物理化學特性而不是由材料的微觀結構決定的。
吸入聚合電解質薄膜中的溼氣有助於溶解出離子物質，增大可用離子的數量，結果，大大降低了電阻率。使用聚合電解質薄膜的溼度傳感器4利用了吸入的溼氣的量根據大氣中溼氣的含量(溼度)而可逆向改變的現象，這就導致離子生成量的變化，並因此而導致導電性的變化。
因為生產條件對薄膜材料沒有什麼影響，因此薄膜材料具有可復現的敏感性。因為大量的溼度傳感器4可在同一基片上製作，因此使器件與器件之間的物理性能保持穩定也比較容易。而且，與陶瓷材料不同，用薄膜材料製作溼度傳感器4不要求附加的高溫。因此，生產工序，如形成電極或引線的固定，不要求專門的材料或技術。對於使器件低價位，小而輕，以及把器件集成到環境電路中而言，這些優點是非常有利的。但是，通用的薄膜型溼度傳感器要求的生產與裝配工序複雜。
本發明的其他目的與優勢將在下面的描述中部分地予以提出，並通過這種描述而部分地使之清晰明了起來，或者，這些也可以通過對本發明的實踐而獲得。
為達到本發明上述的以及其他的目的，根據本發明的一個實施例的聚合物型的溼度傳感器包括一個聚合物結構，由一個橡膠構件和一個碳質構件以及在該聚合物結構上形成的一對引線端子構成。
根據本發明的一個方面，該橡膠構件系天然橡膠，如腈基丁二烯橡膠-聚丙烯-含氮聚丁橡膠。
根據本發明的另一個方面，填充在聚合物上的碳在該聚合物的結構的15-20％+/-5％的範圍內。
根據本發明的再一個方面，該聚合物溼度傳感器的電阻在500K歐姆-2M歐姆的範圍內。
根據本發明的又一個方面，該聚合物型溼度傳感器在相對溼度範圍為0％至100％的情況下，其阻抗為2000000歐姆至500000歐姆，並且在整個溼度範圍內發生變化。
根據本發明的另一個實施例，提供了一個聚合物型溼度傳感器的生產方法，包括獲得含有橡膠與碳的產品成分，以及利用該產品成分製成的具有預定形狀的聚合物結構，在該結構上帶有一對引線電極。
附圖簡述通過下面的結合附圖對優選實施例的描述，本發明的各項目的與優點更為清晰，更容易理解。其中圖1為使用通用的陶瓷溼度傳感器的一個微波爐系統的簡圖；圖1A為展示通過細孔進入陶瓷溼度傳感器的溼氣小水滴的通用陶瓷溼度傳感器的表面的剖面圖；圖2為展示根據本發明的一個實施例的聚合物型的溼度傳感器的實施例的透視圖；圖3為展示根據本發明的另一個實施例的聚合物型溼度傳感器的透視圖；圖4為展示根據本發明的再一個實施例的聚合物型溼度傳感器的透視圖；圖5為展示使用根據本發明的一個實施例的聚合物型溼度傳感器的一個微波爐系統的示意圖。
圖2給出了根據本發明的一個實施例的聚合物型溼度傳感器200的示意圖。聚合物型溼度傳感器200在聚合物210的預定區域上有電極220。電極220相互分置並埋設於聚合物210中。聚合物210的一個表面，比如溼氣接觸面230，提供了一個對與該表面接觸的溼氣的感知區域。根據應用系統的需要，聚合物型溼度傳感器200的聚合物210與電極220可以有多種預定的形狀與位置。
圖3給出了根據本發明的另一個實施例的另一個聚合物型溼度傳感器300的示意圖。聚合物型溼度傳感器300具有預定形狀的電氣外引端子320，設置在置於聚合物310相對的兩端上的對應的支架315上。聚合物310的一個表面，如溼氣接觸面330提供了一個對與該表面接觸的溼氣感知的區域。可以理解，如圖所示電氣外引端子320與支架315可以是一個單件，或者，可以單獨製作，再將電氣外引端子320與支架315連接。
圖4給出了根據本發明的又一個實施例的另一個聚合物型溼度傳感器400的示意圖。聚合物型溼度傳感器400的聚合物410為圓柱形，在聚合物410相對的兩端上設有電氣端子420。聚合物410的柱狀接觸面提供了一個溼氣接觸面430用於感知與該面接觸的溼氣。
圖2與圖5給出了應用根據本發明的聚合物型溼度傳感器200的一個典型的微波爐系統500的示意圖。微波爐系統500包括一個食品艙510，一個磁控管520和冷卻扇530。圖5還示出，食品550生成的溼氣540被冷卻扇530導至聚合物型溼度傳感器200的傳感器定位處560。一旦對食品550進行加熱，位於傳感器位置560的聚合物型溼度傳感器200即對溼氣540進行檢測。與聚合物型溼度傳感器200連接的微機(未示出)對聚合物型溼度傳感器200的電阻的變化進行檢測，計算食品550的累積加熱時間，並自動停止微波爐系統500的運行。但是，可以理解，傳感器的位置560不必與冷卻扇530相對，也可以定於其他區域，比如鄰近冷卻扇530的位置或其他的側壁上，通過這些部位，部分溼氣540從食品艙520排出。
在一個實施例中，根據本發明的聚合物型溼度傳感器在相對溼度(RH)為0％與100％的情況下，其阻抗分別約為2000000歐姆與500000歐姆，並且在整個溼度範圍內其阻抗發生變化。而且，在溼氣吸收過程(0％RH-100％RH)與溼氣釋放過程(100％RH-0％RH)中，對溼氣敏感度之間的差小至或小於2％RH。
利用離子(H+)的極化作用，在整個溼度範圍內，該聚合物型溼度傳感器對溼度的變化作出響應，並把這種響應體現為電阻的變化。另外，該聚合物的溼度傳感器容易生產與規格小型化，因此，從低成本生產與集成為器件的角度來看，是先進的。
在聚合物型溼度傳感器中使用的本發明的聚合物是利用親水性聚合材料與疏水性聚合材料的交聯反應生產的。更具體講，本發明的聚合物是利用導電性能經過改善的天然橡膠化合物製備的。其特點在於具體成分由應用的需要來決定，例如適合於在微波爐中使用的具有優良的檢測性能的一個成分構成。例如，根據本發明的一個聚合物型溫度傳感器200，由於成分中含有天然橡膠和碳，其電阻範圍可為500K歐姆至2M歐姆。對於具體的比如說在微波爐中的應用，聚合物型溼度傳感器200的特點是，其成分中含有碳，其量為該聚合物結構的體積的15-20％+/-5％。
通過使用橡膠，接觸端子間的連接得以改善，端子的氧化得以防止，並且溼度傳感器的長期穩定性與使用壽命得以改善。另外，使消除露點成為可能。例如，通過使用天然橡膠，天然橡膠表面的露滴即被多孔的天然橡膠吸收。也就能夠生產出具有可靠性，小規模以及低成本的溼度傳感器。
通過使用碳，作為導電的添加劑，就能夠在改良溼度與溫度的條件下穩定溼度檢測性能。而且，碳能增強橡膠的導電性，也就容易確定阻抗，電流與電壓的值。而且，也容易根據所設計的幾何圖形來確定材料的電阻。也就是說，容易改變材料的阻抗。
另外，與在通用的溼度傳感器中使用的聚合材料不同，本發明的導電的聚合材料提供了一個響應速度快，附著力低，並且使用壽命更長的聚合物型溼度傳感器200。而且，與通用的聚合材料不同，本發明的導電聚合物在暴露於高溫與高相對溼度的情況下是穩定的。
由於利用在聚合材料中加入導電微粒的技術進行生產，本發明的聚合物型溼度傳感器採用碳來加入天然橡膠，以維持電阻的恆定，因此，很容易根據幾何圖形來改變電阻。
因為本發明的聚合物型溼度傳感器的溼氣檢測基本原理在於通過存在於薄膜表面的細孔把水氣分子物理吸收入傳感器薄膜，該溼度傳感器的性能就能夠通過材料本身的特性以及通過其微觀結構如孔徑，孔的分布，以及孔隙密度來確定。因此，本發明的聚合物型溼度傳感器生成的誤差在允許的範圍內，並表現出可靠的運行性能。
雖然給出了本發明的幾個實施例並進行了描述，但是該技術領域的專業人士將會理解，在不違背本發明的原理與精神，不背離在所附的權利要求及其等效事宜中定義的範圍，可以在這些實施例中作出更改。
權利要求
1.一個聚合物型溼度傳感器，包括一個預定形狀的聚合物結構，其中所述聚合物結構包括天然橡膠與碳；一對與所述聚合物結構連接的一對電極。
2.權利要求1的聚合物型溼度傳感器，其中加入所述聚合物結構的碳在體積的15-20％+/-5％的範圍內。
3.權利要求1的聚合物型溼度傳感器，其中聚合物型溼度傳感器的電阻在500K歐姆-2M歐姆的範圍內。
4.權利要求1的聚合物型溼度傳感器，其中，聚合物型溼度傳感器在0％與100％的相對溼度範圍內其阻抗為2000000歐姆與500000歐姆，並且在整個相對溼度範圍內，該阻抗作為相對溼度的函數而變化。
5.權利要求1的聚合物型溼度傳感器，其中的天然橡膠是丁腈橡膠-丙烯酸酯硝基丁二烯橡膠。
6.權利要求5的聚合物溼度傳感器，其中加入所述聚合物結構的碳在所述聚合物的結構的體積的15-20％+/-5％的範圍內。
7.權利要求6的聚合物型溼度傳感器，其中聚合物型溼度傳感器的電阻在500K歐姆-2M歐姆的範圍內。
8.權利要求7的聚合物型溼度傳感器，其中，聚合物型溼度傳感器在0％與100％的相對溼度範圍內其阻抗為2000000歐姆與500000歐姆，並且在整個相對溼度範圍內，該阻抗作為相對溼度的函數而變化。
9.權利要求8的聚合物型溼度傳感器，其中所述的電極位於所述聚合物結構中預定位置，並從所述聚合物結構中向外深出。
10.權利要求8的聚合物型溼度傳感器，其中所述的電極設置於外部並且所述聚合物結構的外部連接。
11.權利要求8的聚合物型溼度傳感器，其中的預定形狀包括一個與具有溼度的氣體接觸的平面型表面。
12.權利要求8的聚合物型溼度傳感器，其中的預定形狀包括一個與具有溼度的氣體接觸的圓型表面。
13.權利要求12的聚合物型溼度傳感器，其中所述預定形狀是一個圓柱形，兩極相對的兩端上具有電極。
14.權利要求12的聚合物型溼度傳感器，其中預定的形狀是一個線圈形，在該線圈形的側面上裝有所述的電極。
15.用作聚合物型溼度傳感器的檢測結構的聚合物結構，包括天然橡膠；在所述橡膠中混合的碳。
16.權利要求15的聚合物結構，其中的天然橡膠是丁腈橡膠-丙烯酸酯硝基丁二烯橡膠。
17.權利要求16的聚合物結構，其中加入聚合物結構的所述的碳在該量聚合物結構的體積的15-20％+/-5％的範圍內。
18.權利要求17的聚合物結構，其中的聚合物型溼度傳感器的電阻在500K歐姆-2M歐姆的範圍內。
19.權利要求18的聚合物結構，其中，聚合物型溼度傳感器在0％與100％的相對溼度範圍內其阻抗為2000000歐姆與500000歐姆，並且在整個相對溼度範圍內，該阻抗作為相對溼度的函數而變化。
20.一個烹製食品的微波爐，包括一個爐體，包括一個烹製艙；一個加熱部件，用於在烹製艙中烹製食品；一個出氣口單元，用於排除烹製艙中的氣體；一個控制單元，對食品的烹製進行控制；一個聚合物型溼度傳感器，設置與於出氣口所述的信息供控制單元使用，其中所述聚合物型溼度傳感器包括一個預定形狀的聚合物結構，並且含有天然橡膠和碳；與該聚合物結構接結構的一對電極。
21.權利要求20的微波爐，還包括一個冷卻扇，用於把空氣抽入烹製艙，同時對加熱部件進行冷卻。
22.權利要求20的微波爐，其中加入聚合物結構的所述的量在該聚合物結構的體積的15-20％+/-5％的範圍內。
23.權利要求22的微波爐，其中，聚合物型溼度傳感器的電阻在500K歐姆-2M歐姆的範圍內。
24.權利要求23的微波爐，其中，聚合物型溼度傳感器在0％與100％的相對溼度範圍內其阻抗為2000000歐姆與500000歐姆，並且在整個相對溼度範圍內，該阻抗作為相對溼度的函數而變化。
25.權利要求24的微波爐，其中的天然橡膠是丁腈橡膠-丙烯酸酯硝基丁二烯橡膠。
26.一個聚合物型溼度傳感器，包括具有相對的兩端的一個聚合物結構，其中所述的聚合物結構含有橡膠和碳；兩個電極，每個與所述的聚合物結構的相對的兩端中相對應的一個接結。
27.權利要求26的聚合物型溼度傳感器，其中所述的聚合物結構為圓柱形，在該圓柱形的相對的兩端上沒有所述的電極。
28.權利要求26的聚合物型溼度傳感器，其中所述聚合物結構為稜柱形，在該稜柱形相對的兩端上沒有所述的電極。
29.權利要求28的聚合物型溼度傳感器，其中，稜柱形具有矩形的橫截面。
全文摘要
在微波爐中使用的聚合物型溼度傳感器,具有一個含有橡膠和預定量的碳的聚合物結構,以及與該聚合物結構連接的一對電極。本發明的聚合物型溼度傳感器響應時間迅速,經久耐用,電極附著力佳,滯後低,並且在暴露於高溫與高相對溼度的情況下表現出穩定性。
文檔編號F24C7/02GK1423123SQ0212330
公開日2003年6月11日 申請日期2002年6月14日 優先權日2001年12月7日
發明者孫鍾哲, 許政義, 吳根錫, 李源雨, 李昭顯 申請人:三星電子株式會社