一种湿度传感器的制作方法

本发明涉及一种传感器，特别是一种湿度传感器。

背景技术：

湿度传感器被广泛的应用于众多领域，如工业控制、医药生产、农业种植、气象探测以及食品存储等。在这些领域实现对湿度的快速、准确的测量具有重要的意义。对于湿度的测量，传统原理的湿度感器如毛发湿度计、干湿球湿度计、露点仪等由于体积较大、成本高有的甚至含有机械部件无法与电子信息采集系统兼容，已不能满足现阶段的实际需要。

现有的湿度传感器材料主要由多孔硅、多孔陶瓷。而多孔硅、阳极氧化铝制备工艺相对复杂，涉及到阳极湿法腐蚀工艺，很难再进一步降低成本；以聚酰亚胺为代表的高分子化合物材料以其好的湿度感湿特性如：长期稳定性、可靠性、易加工等特点受到广泛关注。由于湿空气的饱和水蒸气含量与空气温度成正比。当空气温度较高时，空气中存在的水蒸气多；当空气温度较低时，空气中存在的水蒸气少，但即使含有很少的水蒸气也会产生结露。所以，即使湿空气自身未达到饱和状态，当湿度传感器表面温度低于湿空气的饱和温度时，物体表面的水蒸气也会凝结，产生结露。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种在不影响湿度传感器测量特性的情况下，将湿度传感器表面温度恒定在一定的温度范围内，使湿度传感器表面温度高于环境温度，避免湿度传感器表面结露的湿度传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种湿度传感器，包括基底，所述基底下表面覆有衬底层，所述基底上表面设有加热器，所述加热器上表面设有输出层，所述输出层上表面覆有感湿层。

由于采用了上述技术方案，通过加热器将将湿度传感器表面温度恒定在一定的温度范围内，使湿度传感器表面温度高于环境温度，避免湿度传感器表面结露，从而保证湿度传感器表面感湿层采集数据的精确性。

本发明的一种湿度传感器，所述加热器为蛇形加热器，所述加热器包括三个加热单元，从左至右分别为顺序连接加热单元一，加热单元二和加热单元三；所述加热单元一与加热单元三的一端连有电极，另一端与加热单元二的两端相连；所述加热单元一沿水平方向布置，所述加热单元一与加热单元三镜像对称，所述加热单元二沿竖直方向布置。

由于采用了上述技术方案，加热单元一和加热单元三在感湿层的两侧加热，使得热量均匀分散，加热单元二沿竖向方向布置，避免影响加热单元之间空气流通，对感湿层采集数据造成影响，同时能够有效的降低传感器热量散失。

本发明的一种湿度传感器，所述电极与加热单元之间的距离为1.5mm，所述加热单元一的宽度l₁与加热单元二的长度l₂相同，所述加热单元一的长度v₁，加热单元二宽度v₂，加热单元一的结距d₁和加热单元二的结距d₂符合以下公式：

由于采用了上述技术方案，进行热仿真分析时，环境温度选取为+10～-10℃。当环境温度为0℃时，湿度传感器表面的最高温度为22.3℃，有效感湿面的平均温度为22℃，最大最小温度之间的差距为0.7℃；当环境温度为10℃时，温度传感器表面的最高温度为23.2℃，有效感湿面的平均温度为23摄氏度，最大最小温度之间的差距为0.4℃；当环境温度为-10℃时，温度传感器表面的最高温度为20.7℃，有效感湿面的平均温度为20℃，最大最小温度之间的差距为1.6℃。

本发明的一种湿度传感器，所述与加热单元三相连的电极位于加热单元一的左上方，所述与加热单元一相连的电极位于加热单元三的右下方。

本发明的一种湿度传感器，所述加热器与输出层之间设有保护膜，所述输出层呈L型，所述输出层竖直端面的底部与保护膜相连，所述输出层水平端面与保护膜之间间隔有通讯层，所述输出层连有若干输出端口。

由于采用了上述技术方案，将输出层通过保护膜与加热器分隔开，避免能够进一步保证热量均匀分布在感湿面表面，同时避免加热器表面过热对输出层的正常工作造成影响。将输出层制成L型能够保证输出层与保护膜相连，避免通讯层将输出层完全隔开，同时能够使得感湿层能够接触到水平高度不同的湿度变化，保证数据的精确性。

本发明的一种湿度传感器，所述感湿层呈L型，所述感湿层覆于输出层上表面，所述感湿层仅设于加热单元二表面。

由于采用了上述技术方案，感湿层仅在加热单元二表面，保证有效感湿区的稳定性，通时进一步保证了感湿层采集数据的精确性。

本发明的一种湿度传感器，所述加热单元二下方基底的厚度小于加热单元二和加热单元三下方基底的厚度。

由于采用了上述技术方案，由于基体在有效感湿区的厚度不同，在相同的加热功率及环境温度下，湿度传感器温升更高，提高了加热效率，降低了功耗，两边的基体厚度较厚，具有一定贮热能力，避免热量迅速散失。

本发明的一种湿度传感器，所述加热器由铂制成，所述衬底层由纳米TiO₂薄膜制成，所述基体由硅烷炔嵌段树脂制成，所述硅烷炔嵌段树脂的分子式为ABA，其中

由于采用了上述技术方案，加热器、衬底层和基体的保热和散热性能具有较好的平衡性，在环境温度变化的条件下性质依然稳定，能够得到最优的加热效果。

本发明的一种湿度传感器，所述感湿层由氧化石墨烯/纳米Al₂O₃/聚酰亚胺制成。

由于采用了上述技术方案，不仅具有优异的导热性能，能够极大减小感湿层表面温度的差距，同时，具有良好的分散性和亲水性。由于水分在在保持氧化石墨烯/纳米Al₂O₃/聚酰亚胺的层状结构中起到关键作用，水分能够从过材料表面的环氧基中的氧与水分中的氢键之间的交互作用而插入材料层中。其中，m(氧化石墨烯)：m(纳米Al₂O₃)：m(聚酰亚胺)＝1:2.1:3时，灵敏度高，在相对湿度为14％～91％的范围内，湿滞为3.7％，响应时间和恢复时间分别为5s和12s。

本发明的一种湿度传感器，所述保护膜由Na₂O-SiC-SiO₂凝胶制成。

由于采用了上述技术方案，保护膜的热传导性能好，具有一定恒温作用。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、在不影响湿度传感器测量特性的情况下，将湿度传感器表面温度恒定在一定的温度范围内，使湿度传感器表面温度高于环境温度，避免湿度传感器表面结露。

2、在相同的加热功率及环境温度下，湿度传感器温升更高，提高了加热效率，降低了功耗，两边的基体厚度较厚，具有一定贮热能力，避免热量迅速散失。

3、灵敏度高，在相对湿度为14％～91％的范围内，湿滞为3.7％，响应时间和恢复时间分别为5s和12s，采集数据的精确度高，在环境温度变化的条件下性质依然稳定。

附图说明

图1是一种温度传感器的俯视结构示意图；

图2是一种温度传感器的侧视结构示意图。

图中标记：1为基底，2为加热器，3为感湿层，4为输出端口，5为电极，6为输出层，7为衬底层，8为通讯层，9为保护膜。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1至图2所示，一种湿度传感器，包括基底1，基底1的厚度为400μm，基底1下表面覆有衬底层7，基底1上表面设有加热器2，加热器2上表面设有输出层6，输出层上表面覆有感湿层3。加热器2为蛇形加热器，加热器2包括三个加热单元，从左至右分别为顺序连接加热单元一，加热单元二和加热单元三；加热单元一与加热单元三的一端连有电极5，另一端与加热单元二的两端相连；加热单元一沿水平方向布置，加热单元一与加热单元三镜像对称，加热单元二沿竖直方向布置，加热器2和电极5采用光刻工艺和磁控溅射制备在基底表面。电极5与加热单元之间的距离为1.5mm，加热单元一的宽度l₁与加热单元二的长度l₂相同，加热单元一的长度v₁，加热单元二宽度v₂，加热单元一的结距d₁和加热单元二的结距d₂符合以下公式：加热单元三同加热单元一镜像对称，其长度、宽度、结距均与加热单元一相同。与加热单元三相连的电极位于加热单元一的左上方，与加热单元一相连的电极位于加热单元三的右下方。加热器2与输出层6之间设有保护膜8，输出层6呈L型，输出层6竖直端面的底部与保护膜8相连，输出层6水平端面与保护膜9之间间隔有通讯层8，输出层6连有若干输出端口4。感湿层3呈L型，感湿层3覆于输出层6上表面，感湿层3仅设于加热单元二表面。加热单元二下方基底1的厚度小于加热单元二和加热单元三下方基底1的厚度。

加热器2由铂制成，衬底层7由纳米TiO₂薄膜制成，基体1由硅烷炔嵌段树脂制成，硅烷炔嵌段树脂分子式为ABA，其中

。感湿层3由氧化石墨烯/纳米Al₂O₃/聚酰亚胺制成，其中，m(氧化石墨烯)：m(纳米Al₂O₃)：m(聚酰亚胺)＝1:2.1:3。保护膜8由Na₂O-SiC-SiO₂凝胶制成，其中，n(Na⁺)：n(C⁴⁺)：n(Si⁴⁺)＝3：1:2.5。

实施例2

硅烷炔嵌段树脂通过以下方法制备：

在四口烧瓶中加入镁粉(6g，0.25mol)，和四氢呋喃(40ml)，氮气气氛下，滴加溴乙烷(25.92g，0.24mol)，引发成功后，保温(45℃)1h；在冰水浴下滴加间二乙炔基苯(15.12g，0.12mol)，67℃回流1h，在冰水浴下向其中滴加二氯多硅氧烷(0.08mol)，回流2h，得到大单体格氏试剂P₁。在四口烧瓶中加入镁粉(2.16g，0.09mol)和四氢呋喃(40ml)，氮气气氛下，滴加溴乙烷(8.64g，0.08mol)，引发成功后，保温(45℃)1h；在冰水浴下滴加间二乙炔基苯(5.04g，0.04mol)，回流1h，在冰水浴下向其中滴加二甲基二氯硅烷(7.74g，0.06mol)，回流2h，得到大单体氯硅烷P₂。

将P₂缓慢滴加到P₁的反应体系中。滴完加热回流约2h。蒸除四氢呋喃，并冷却至室温后，在冰水浴冷却下，加入冰醋酸(3g)和甲苯(100ml)的混合溶液，滴加2％稀盐酸溶液(72ml)直至分液。水洗至中性，加入无水硫酸钠干燥。过滤，减压蒸出溶剂，得到嵌段共聚物，产率约为91％。

合成路线如下所示：

实施例3

氧化石墨烯/纳米Al₂O₃/聚酰亚胺通过以下方法制备：

在室温条件下,利用超声波清洗器将一定比例的纳米氢氧化铝和氧化石墨烯分别分散于四氢呋喃中,同时也将聚酰亚胺溶解于四氢呋喃中,形成均一溶液；先将石墨烯的四氢呋喃溶液加入到纳米氧化铝的四氢呋喃溶液中，超声波处理1h，然后将聚酰亚胺的四氢呋喃溶液加入到上述混合液中，搅拌下加入正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡，搅拌并超声处理1h，将所得混合溶液旋涂于叉指电极结构上,蒸发除去溶剂，室温固化成型，制备出氧化石墨烯/纳Al₂O₃/聚酰亚胺分散均匀的感湿层薄膜。

实施例4

Na₂O-SiC-SiO₂凝胶(n(Na⁺)：n(C⁴⁺)：n(Si⁴⁺)＝3：1:2.5)通过以下方法制备：

用乙醇作为溶剂，将正硅酸乙酯溶解于乙醇中，用浓度为35％的盐酸调节pH＝2，向溶液中按比例加入碳化硅，在20℃的温度下搅拌1h，向溶液中加入二甲基二乙氧基硅烷，继续搅拌在20℃的条件下反应1h，最后向加入乙醇钠，再在20℃的条件下反应1h，停止搅拌，放置在室温下陈化5～7d，得到Na₂O-SiC-SiO₂凝胶保护膜。

实施例5

本发明的一种湿度传感器还连接有分段补偿单元，分段补偿单元包括PSO-BP神经网络误差补偿。

PSO-BP神经网络误差补偿包括以下步骤，

步骤一，设定PSO-BP神经网络的相关参数，出入节点2个，输出节点1个，隐层节点5个，最大迭代次数为1500，目标误差1×10^-6，学习速率0.01，种群规模为40，惯性权重为1，其中PSO算法需要优化的权值阈值总个数为：N＝(m+1)×n+(n+1)×t，m为输入神经元个数，n为隐层神经元个数，t为输出层神经元个数，对粒子的速度和位置进行随机初始化；

步骤二，按照函数计算网络输出与样本期望输出误差绝对值之和，式中k为学习样本，y为网络的实际输出，J为样本输出；

步骤三，将每个粒子的适应度函数值与个体极值进行比较，如果适应度函数值小，则该适应度函数值成为新的个体极值；并将新的个体极值与全局最佳适应度值进行比较，若新的个体极值小，则将其作为当前的群体极值；

步骤四，根据公式和更新粒子的位置和速度，式中ω为惯性权重；k为当前迭代次数；V为离子的速度，X为粒子的位置，c₁和c₂为学习因子；

步骤五，判断全局最优适应度值是否小于设定误差或者迭代次数大于最大迭代次数，若不满足条件，返回步骤三；若满足条件，则输出的全局最优粒子位置极为最优的BP神经网络权值阈值；

步骤六，根据产生的权值阈值所对应的神经网络，计算出BP网络的误差平方和，根据公式f(X_i)＝E(X_i)^-1计算每个个体的适用度，根据公式计算网络的目标函数，式中为输入第j个训练样本时第k个输出结点的输出值；p_jk为期望的输出值；n为训练样本个数；m为输出层的神经元数，i＝1,2,…,L，L为种群规模。

实施例6

湿度传感器中通讯层8包括RFID标签，若干包含RFID标签的湿度感应装置组成的湿度监控系统，湿度监控系统，包括信号连接的若干湿度传感器单元，MCU1控制器，若干发射器，主接收器，MCU2控制器和监控PC主机；所述湿度传感器单元，包括内置有源RFID标签的湿度传感器装置，所述湿度传感器装置采集湿度数据，并将值存入有源RFID标签中；所述MCU1控制器，能够对特定目标的RFID标签进行读写，并将数据暂时存入单片机内存中；所述发射器，能够通过射频发射器芯片无线传输数据；所述主接收器，能够接收发射器发射的无线传输数据；所述MCU2控制器，能够控制通过串口将数据传送到监控PC主机中；所述监控PC主机，能够对数据进行显示、存储和运算。

所述MCU1控制器与RFID标签的通信过程包括判断过程，所述判断过程连接有并联的初次匹配过程和记忆匹配过程，所述判断过程以下步骤，

步骤一，RFID标签处于等待状态，向MCU1控制器发送请求信息，判断是否收到MCU1控制器发出的应答命令，若未收到MCU1控制器发出的应答命令，则继续发送请求信息，其中，MCU1控制器中的分配模型为约束条件为x_ij是标签与控制器之间的价值，L_ij是标签与控制器之间的距离；

步骤二，若RFID标签定时收到MCU1控制器发出的应答命令，判断RFID标签成功发送数据次数是否大于四次，若大于等于四次则进入记忆匹配过程；若小于四次则进入初次匹配过程。

所述初次匹配过程包括以下步骤，

步骤一，RFID标签向MCU1控制器发送数据信息，MCU1收到信息后发送反馈信息；

步骤二，RFID标签判断是否收到反馈信息；若RFID标签在一定时间内收到反馈信息则表示数据成功发送，继续采集湿度数据；若RFID标签在一定时间内为收到反馈信息则表示数据未成功发送，继续尝试发送数据。

所述记忆匹配过程包括以下步骤，

步骤一，RFID标签向MCU1控制器发送数据信息；

步骤二，发送完成后继续采集湿度数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。