专利名称：湿度传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种湿度传感器以及制造所述湿度传感器的方法。
背景技术：
现有的湿度传感器通过将周围环境中的水分吸收到聚合物中，以检测空气的相对湿度，其测量原理是检测所述聚合物的介电常数或电导率的改变，而介电常数或电导率是相对湿度的函数。现有的湿度传感器有其固有的缺点，如果湿度传感器经常暴露在冷凝状态、潮湿和肮脏的环境中，它们的功能会随时间而减弱。因此，大部分湿度传感器都配有某种类型的保护性封装套。
然而，此类湿度传感器不适合在冷凝和潮湿的条件下使用。原因是死角空间可能为几千mm3，使得封装套死角空间内冷凝的水量可以累积，并达到大量，从而会因为可能对传感元件造成不可挽回的损坏而导致重大问题。
大量冷凝的水分蒸发并扩散到封装套外部要花费很长时间。这是在潮湿和冷凝的环境中使用此类湿度传感器的主要缺点。
发明内容
本发明的目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更明确地，本发明的目的是提供一种可以在潮湿和冷凝的环境中使用的湿度传感器。
通过根据权利要求所述的湿度传感器来达到这些目的。
近来小尺寸传感元件的实现使得构建具有很小死角空间的湿度传感器成为可能，此上下文中所述的小是指100mm3以下。
此外，死角空间的形状类似于截头圆锥体或喇叭状管道这一实用的设计可能也很有好处，其中多孔膜覆盖在圆锥体或管道的较大一端，而传感元件则置于相对的较小一端。圆锥体或喇叭状管道的圆柱形表面主要由成型件材料形成，且外部封装套中的孔也可以是此圆柱形表面的一部分。死角空间的高度做得尽可能小，以减小相应的体积。聚四氟乙烯(Teflon)膜面积的特征是在实际限制的范围内尽可能大，从而使水蒸汽扩散或呼吸的有效面积达到最大。
根据本发明，湿度传感器的特征是结合了死角空间小和膜面积大的特点，这提高了湿度传感器对周围空气中湿气浓度的变化快速作出反应的能力，且死角空间小使得仅有少量的水蒸汽可能在其中冷凝。死角空间中有冷凝的水时，传感元件的水分达到饱和，并检测到相对湿度为100％，但是当周围空气的相对湿度小于100％时，环境可以快速地从死角空间中吸收并移除水分，使得传感元件从饱和状态恢复到正常的灵敏度。本发明构思中，膜面积与死角空间体积的比率可能为大于1/5(mm-1)，优选为大于1/3(mm-1)，更优选为大于1/2(mm-1)，最优选为大于1/1(mm-1)。
相应地，本发明涉及一种湿度传感器，所述湿度传感器制造结实，从而可以经受潮湿和冷凝的环境。其特征在于，将湿度传感元件嵌入成型件中，该成型件由热塑性材料铸件制成或双组分聚氨酯、环氧树脂或硅树脂铸件制成，所述成型件粘附到金属或塑料封装套、外壳或外罩的内表面，并且该成型件的外形类似于包含所述成型件的封装套或管道。
封装套和成型件中指向传感元件的小孔被多孔聚四氟乙烯膜覆盖，所述膜粘接到封装套的外表面。对空气的相对湿度敏感的传感元件通过空气经过多孔膜扩散而间接暴露到周围大气中，所述多孔膜具有通过将传感元件选择性地与周围大气隔离来保护传感元件的功能。
优选由多孔聚四氟乙烯(PTFE)制成的膜对空气和诸如水蒸汽等气体具有渗透性，但能有效阻挡液态水和灰尘颗粒的传递，包括如油滴、细菌等物质。
此外，在根据本发明的湿度传感器的构造中，膜和传感元件之间的空间大小设计得较小，使得可能在此空间中冷凝为液态水并弄湿此空间中传感元件的水分子的量达到最少。在本文中，膜与传感元件之间的此空间将进一步称为死角空间。
根据本发明的构思，死角空间的体积小于100mm3，优选小于50mm3，更优选小于25mm3，最优选为1mm3-15mm3。有效的膜面积也可以大于10mm2。通过使用市售的传感元件、将死角空间的体积与传统的湿度传感器的类似空间相比减小了约3个数量级、添加传感元件的保护性封装套，所形成的本发明的湿度传感器构造便达到了发明目的。
本发明中使用的成型件材料可以是双组分聚氨酯、环氧树脂或硅树脂材料，所述材料将粘附到外部封装套的内表面。成型件材料也可以是低粘度的热塑性材料，适用于电子元件的低压注射成型。
注射成型的优点是固化时间短，为少于一分钟。本发明还涉及一种通过将成型过程与加热过程相结合来制造湿度传感器的方法，所述加热过程使得塑料的成型件材料有效粘附到金属封装套内。通常采用两个或更多个连续的加工步骤来制作成型件，其中第一步为带有传感元件和相关信号处理电子元件的PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)的成型。在第一步成型过程中，还集成了安装孔的套管，并且模具中的芯形成小孔和包含传感元件的死角空间。在下一加工步骤中，将第一次成型件置于薄的外部金属封装套的内部，所述金属封装套的形状与第一次成型件的形状相适应，且其中的小孔提供了通向传感元件上方的死角空间的通道。金属封装套还具有与第一铸件上管套的安装孔相对准的安装孔，侧面具有用于安装电缆的孔。
在第二个加热过程中，从外部将金属封装套加热到足以熔化封装套内部的成型件材料表面的温度。此操作将使成型件粘附到封装套的内表面，并由于成型件材料具有热熔胶的特性而形成紧密的层压结构。
由于塑料材料的收缩特性，要一步成型是不切实际的，因此若要在封装套底部形成良好的填充平面，可能有必要进行进一步的注射成型。
所附的示意图是为了说明一些非限制性的实施方式，下面将参照附图更详细地描述本发明及其优点，其中图1表示了一个湿度传感器，所述湿度传感器包括封装套4；孔11，带有用于安装设备的套管10；以及PCB 6，上面安装有电子元件和湿度传感器。
图2是图1的局部放大图，其中多孔膜1粘接在外部封装套4上，带有传感元件5的PCB 6铸入成型件3中，所述成型件3粘附到外部金属或塑料封装套4内。
图3表示的内容与图2相同，但是膜1位于封装套4与成型件3之间。
图4表示的内容与图2相同，但是没有外部封装套4，膜1直接粘接到成型件3上，成型件3与膜1共同形成了湿度传感器的外表面。
所有附图都为高度示意性，不一定符合比例，且仅表示了阐释本发明所必须的一些部件，其他部件被省略或仅作为建议。
具体实施例方式
根据本发明的湿度传感器减少了冷凝的水蒸汽暴露在传感元件5上的水量。实现方式为将膜1与传感元件5之间的死角空间2减少为只有几mm3，与现有湿度传感器的死角空间相比，大约减少了3个数量级。此结构使得在死角空间2中仅遗留很少量可能冷凝的水分，且如果发生了冷凝现象，死角空间可以将多余的液态水通过相对较大的膜1快速蒸发到周围环境中。
可以将膜1置于外部封装套4和成型件3之间，并粘接到其中之一上或粘接到两者上。
本发明还提供一种湿度传感器的构造方法，该方法通过在热塑组件3中多步骤成型PCB 6和传感元件5，以将传感元件5有效地封装。成型过程的第一步是PCB 6成型，所述PCB 6支撑传感元件5以及一个或多个管套11。然后将此初步成型件置于与其精确匹配的保护性封装套4内。从外部加热封装套几秒钟，通过金属所传递的热量刚好足以熔化内部成型件3的表面，使其有效粘接到热的外部封装套4内，所述封装套4从外部冷却，使成型件3再次固化。
为了达到粘接的效果，塑料的成型件材料具有类似热熔胶的特性。最后一个可选的成型步骤的目的在于使用成型件3完全填充外部封装套4。此三个成型过程相结合，将传感元件5密闭地封装进由外部金属封装套4和内部塑料成型件3组成的层压铸件中，并水密性地粘接在一起。通向传感元件5的唯一途径是通过疏水疏油性多孔聚四氟乙烯(Teflon)膜1的气体扩散，所述膜1通过将其粘接到圆锥体或喇叭状死角空间2的开口7上方而紧密地固定在金属封装套4上。此结构为暴露在周围环境中的传感器的外侧提供了结实的金属表面。可以使用螺钉穿过安装孔11将湿度传感器固定到光滑的表面或墙壁上，所述安装孔11通过管套10进行加固，所述管套10防止来自螺钉的力导致传感器变形和内部PCB 6的损坏。
虽然结合本发明的实施方式对上述发明进行了描述，但是本领域的技术人员显然可以想到在不脱离权利要求书中定义的发明的情况下可以对本发明进行一些修改。
权利要求
1.一种湿度传感器，包括传感元件(5)；成型件(3)，所述成型件(3)优选由热塑性材料铸件组成或由双组分聚氨酯、环氧树脂或硅树脂铸件组成，并适于粘附到传感元件(5)；死角空间(2)，所述死角空间(2)设置为与传感元件(5)相连并且被膜(1)覆盖，所述膜(1)附着于成型件(3)的外表面，并且适于保护传感元件(5)，使传感元件(5)免于暴露在潮湿、肮脏的环境中，并允许周围空气中的气体分子如水蒸汽扩散到死角空间(2)中，其特征在于，所述死角空间(2)小于100mm3。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其中死角空间小于50mm3，优选小于25mm3，最优选在1mm3-15mm3之间。
3.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其中死角空间(2)的几何形状类似截头圆锥体，所述传感元件(5)位于死角空间(2)的最窄端(8)，所述膜(1)位于死角空间(2)的最宽端(9)，从而使通过膜(1)扩散的水分子的量达到最大。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的湿度传感器，其中优选由金属或塑料制成的封装套(4)适于围绕在成型件(3)的一侧或多侧。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，其中膜(1)附着于所述封装套(4)的外表面。
6.根据权利要求4所述的湿度传感器，其中膜(1)位于成型件(3)与封装套(4)的内表面之间，并粘接到其中之一上或粘接到两者上。
7.根据权利要求4或5所述的湿度传感器，其中膜(1)粘接到封装套(4)上。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的湿度传感器，其中膜(1)由疏水疏油性材料例如多孔聚四氟乙烯制成。
9.根据上述权利要求中任意一项所述的湿度传感器，其中膜(1)的面积与死角空间(2)体积的比率大于1/5(mm-1)，优选大于1/3(mm-1)，更优选大于1/2(mm-1)，最优选大于1/1(mm-1)。
10.一种制造根据权利要求1-9中任意一项所述的湿度传感器的方法，包括以下步骤-成型件(3)的注射成型，该成型件(3)适于支撑传感元件(5)，-将成型件(3)置于封装套(4)内，和-从外部加热封装套(4)若干秒，通过封装套(4)传递的热量用于熔化内部成型件(3)的表面，使成型件(3)粘附到被加热的外部封装套(4)内，封装套(4)随后从外部冷却，使成型件(3)固化。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在外部封装套(4)中填充额外的成型件材料(3)，以完全填充封装套。
12.权利要求1-9所述的湿度传感器在潮湿和冷凝环境中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种湿度传感器，包括传感元件(5)；成型件(3)，所述成型件(3)优选由热塑性材料铸件组成或由双组分聚氨酯、环氧树脂或硅树脂铸件组成，并适于粘附到传感元件(5)；死角空间(2)，所述死角空间(2)设置为与传感元件(5)相连并且被膜(1)覆盖。所述膜(1)附着于成型件(3)的外表面，并且适于保护传感元件(5)，使传感元件(5)免于暴露在潮湿、肮脏的环境中，并允许周围空气中的气体分子如水蒸汽扩散到死角空间(2)中。所述死角空间(2)小于100mm
文档编号G01N27/04GK101040181SQ200580034554
公开日2007年9月19日 申请日期2005年10月17日 优先权日2004年10月18日
发明者K·埃尔霍恩 申请人:森迈帝克公司