专利名称：聚合物型的湿度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及湿度传感器，详细讲，涉及在诸如微波炉等产品中应用的聚合物型湿度传感器及其生产方法。
湿度是一个通用的公共环境参数，而其控制在各个领域，比如在与精密制造，纤维，食品，以及电子工业相关的工业领域中，被认为是非常重要的。
在微波炉中，用红外线温度传感器，气体传感器或湿度传感器对正制作的食品的加热或烹制状态进行检测。与其他传感器相比，虽然红外线温度传感器精度高，但是其售价高，且会由于食品容器的类型或形状而引起误差。气体传感器比红外线传感器便宜。但是，对于随着各种食品的类型的不同，甚至对于单一类型的食品而生成的各种气体，气体传感器不能有选择地探测所要求的气体。与此相反，湿度传感器相当便宜。湿度传感器的设计目的在于对加热时各种类型的食品所生成的水分子或湿气进行检测并据此对食品的烹制状态进行检测。由于这些优点，湿度传感器目前已成为通用微波炉中应用最为广泛的传感器。
用MgCr2O4-TiO2固溶体晶片制作的通用的湿度传感器首先由Nitta etal。，(美国4,080,564)开发出来。接着，利用TiO2-V2O5，MgAl2O4，ZnCrO-LiZnVO4，Al2O3等材料开发出陶瓷型湿度传感器。后来，又报道了用聚合物为材料的湿度传感器。最近，利用CMOS技术，以薄膜或MOS电容器湿度传感器为方向的开发又在积极进行。陶瓷或薄膜型湿度传感器的制作会相对简单一些，但是，其可复现性及耐污染性差，而且，薄膜或MOS电容器型生产工序复杂。
由于其可塑性，轻便性，耐腐性，以及电气绝缘性，近几十年来，有机聚合材料得到了广泛应用。然而，由于与无机材料相比其固有的特性，如硬度，耐磨性，以及传导性要低，有机聚合材料的应用又受到了限制。但是最近在聚合物辐射方面的进展已使对聚合物的物理及化学性质进行修改成为可能。(化学处理，加热，以及作为辐射的X射线，伽马射线，紫外线以及/或者高能电子束辐射的推广。)在工业及医学领域，如医疗方面，已获得大量应用，包括聚合变换，表面涂敷，加热套装管，热阻与电阻绝缘体的生产，生物医学材料的开发等。
另外，聚合技术已发展到可在聚合物相对应的两端设置电极的程度，因此就可以用聚合物制作电阻传感器。聚合物的极化可以通过注入离子或在干燥工序中施以强大的外电场的被称为离子变换的方式来实现。该技术是通过要求施加强大电场(电压)的高能辐射来完成的。具有高能离子射束的技术还能改善聚合物的导电性，并已发展到在通信领域的波导管中获得应用的程度。
图1示出了在诸如微波炉系统10的环境中应用的通用湿度传感器4，比如说陶瓷湿度传感器4的应用。磁控管2辐射生成用于烹制食品3的高频电磁波。烹制期间，陶瓷湿度传感器探测食品3发出的湿气(未示出)，并向对磁控管2进行控制的微机5输出信号。通常，常用的陶瓷湿度传感器4是用基于MgCr2O4-TiO2的半导体陶瓷制成的。
图1A示出了与由基于MgCrO4-TiO2的半导体陶瓷构成的陶瓷湿度传感器4的表面接触的湿气。当湿气形成的小水滴41通过陶瓷湿度传感器4表面上的大量小孔42而进入陶瓷湿度传感器4时，由于改变了电阻，使传感器的电阻下降。
利用湿度传感器4对湿度变化进行的检测是基于在湿度传感器4中使用的湿敏材料的电阻或电容的变化而进行的，这样，这种变化就取决于吸入或凝结在湿敏材料上的湿气。用于湿度传感器4的湿敏材料包括电解质，如LiCl；金属材料，如Se(硒)和Ge(锗)，金属陶瓷氧化物，如MgCr2O4，ZnCr2O4，TiO2，以及SnO2；可渗透性金属氧化物薄膜，如Al2O3；导电微粒扩散性聚合材料，如尼龙；以及有机或无机的聚合电解质薄膜。
用陶瓷材料制成的湿度传感器4所适用的湿度范围广，而且耐热性佳。但是，由于所使用的金属氧化物的性能不稳定，即使是在温度留有余地的时候使用，湿度传感器的性能也要随着时间而发生变化。尤其是，由于金属氧化物对水的吸收形成氢氧化物，或者由于导致湿敏表面面积减小的沉附作用，在较短时间内对湿气的敏感性就产生退化。因此，湿度传感器被要求每20-40分钟，间歇性地加热至400-450以恢复其性能。
另外，由于陶瓷基湿度传感器4对湿气的敏感能力从根本上讲取决于陶瓷通过细孔42对湿气的物理吸附，就难以降低敏感器件之间的检测误差。通过材料性能以及微观结构如孔径，细孔分布，和孔隙密度的变换来获得可靠的检测性能也是困难的。
以合成树脂，尼龙等为代表的聚合物是用由简单分子结合而成的大分子制成的物质，称为单体。聚合物型湿度传感器的设计目的在于对传感器电阻或电容进行量化以确定湿度。在湿度传感器4中使用的有机聚合物的范例包括聚苯基乙炔，醋酸纤维素，醋酸-丁酸纤维素，聚乙烯，以及各种异分子聚合物。但是，目前的湿度传感器4使用的通用聚合物材料响应速度低，滞后现象严重，平均寿命短。在暴露于高湿以及高相对湿度的情况下，这些缺陷犹为严重。
与瓷基湿度传感器不同，基于薄膜材料如聚合电解质薄膜的湿度传感器4利用的是湿敏材料本身具有的特性，如吸水性与离子导电性。因此，敏感特性是由材料的物理化学特性而不是由材料的微观结构决定的。
吸入聚合电解质薄膜中的湿气有助于溶解出离子物质，增大可用离子的数量，结果，大大降低了电阻率。使用聚合电解质薄膜的湿度传感器4利用了吸入的湿气的量根据大气中湿气的含量(湿度)而可逆向改变的现象，这就导致离子生成量的变化，并因此而导致导电性的变化。
因为生产条件对薄膜材料没有什么影响，因此薄膜材料具有可复现的敏感性。因为大量的湿度传感器4可在同一基片上制作，因此使器件与器件之间的物理性能保持稳定也比较容易。而且，与陶瓷材料不同，用薄膜材料制作湿度传感器4不要求附加的高温。因此，生产工序，如形成电极或引线的固定，不要求专门的材料或技术。对于使器件低价位，小而轻，以及把器件集成到环境电路中而言，这些优点是非常有利的。但是，通用的薄膜型湿度传感器要求的生产与装配工序复杂。
本发明的其他目的与优势将在下面的描述中部分地予以提出，并通过这种描述而部分地使之清晰明了起来，或者，这些也可以通过对本发明的实践而获得。
为达到本发明上述的以及其他的目的，根据本发明的一个实施例的聚合物型的湿度传感器包括一个聚合物结构，由一个橡胶构件和一个碳质构件以及在该聚合物结构上形成的一对引线端子构成。
根据本发明的一个方面，该橡胶构件系天然橡胶，如腈基丁二烯橡胶-聚丙烯-含氮聚丁橡胶。
根据本发明的另一个方面，填充在聚合物上的碳在该聚合物的结构的15-20％+/-5％的范围内。
根据本发明的再一个方面，该聚合物湿度传感器的电阻在500K欧姆-2M欧姆的范围内。
根据本发明的又一个方面，该聚合物型湿度传感器在相对湿度范围为0％至100％的情况下，其阻抗为2000000欧姆至500000欧姆，并且在整个湿度范围内发生变化。
根据本发明的另一个实施例，提供了一个聚合物型湿度传感器的生产方法，包括获得含有橡胶与碳的产品成分，以及利用该产品成分制成的具有预定形状的聚合物结构，在该结构上带有一对引线电极。
附图简述通过下面的结合附图对优选实施例的描述，本发明的各项目的与优点更为清晰，更容易理解。其中图1为使用通用的陶瓷湿度传感器的一个微波炉系统的简图；图1A为展示通过细孔进入陶瓷湿度传感器的湿气小水滴的通用陶瓷湿度传感器的表面的剖面图；图2为展示根据本发明的一个实施例的聚合物型的湿度传感器的实施例的透视图；图3为展示根据本发明的另一个实施例的聚合物型湿度传感器的透视图；图4为展示根据本发明的再一个实施例的聚合物型湿度传感器的透视图；图5为展示使用根据本发明的一个实施例的聚合物型湿度传感器的一个微波炉系统的示意图。
图2给出了根据本发明的一个实施例的聚合物型湿度传感器200的示意图。聚合物型湿度传感器200在聚合物210的预定区域上有电极220。电极220相互分置并埋设于聚合物210中。聚合物210的一个表面，比如湿气接触面230，提供了一个对与该表面接触的湿气的感知区域。根据应用系统的需要，聚合物型湿度传感器200的聚合物210与电极220可以有多种预定的形状与位置。
图3给出了根据本发明的另一个实施例的另一个聚合物型湿度传感器300的示意图。聚合物型湿度传感器300具有预定形状的电气外引端子320，设置在置于聚合物310相对的两端上的对应的支架315上。聚合物310的一个表面，如湿气接触面330提供了一个对与该表面接触的湿气感知的区域。可以理解，如图所示电气外引端子320与支架315可以是一个单件，或者，可以单独制作，再将电气外引端子320与支架315连接。
图4给出了根据本发明的又一个实施例的另一个聚合物型湿度传感器400的示意图。聚合物型湿度传感器400的聚合物410为圆柱形，在聚合物410相对的两端上设有电气端子420。聚合物410的柱状接触面提供了一个湿气接触面430用于感知与该面接触的湿气。
图2与图5给出了应用根据本发明的聚合物型湿度传感器200的一个典型的微波炉系统500的示意图。微波炉系统500包括一个食品舱510，一个磁控管520和冷却扇530。图5还示出，食品550生成的湿气540被冷却扇530导至聚合物型湿度传感器200的传感器定位处560。一旦对食品550进行加热，位于传感器位置560的聚合物型湿度传感器200即对湿气540进行检测。与聚合物型湿度传感器200连接的微机(未示出)对聚合物型湿度传感器200的电阻的变化进行检测，计算食品550的累积加热时间，并自动停止微波炉系统500的运行。但是，可以理解，传感器的位置560不必与冷却扇530相对，也可以定于其他区域，比如邻近冷却扇530的位置或其他的侧壁上，通过这些部位，部分湿气540从食品舱520排出。
在一个实施例中，根据本发明的聚合物型湿度传感器在相对湿度(RH)为0％与100％的情况下，其阻抗分别约为2000000欧姆与500000欧姆，并且在整个湿度范围内其阻抗发生变化。而且，在湿气吸收过程(0％RH-100％RH)与湿气释放过程(100％RH-0％RH)中，对湿气敏感度之间的差小至或小于2％RH。
利用离子(H+)的极化作用，在整个湿度范围内，该聚合物型湿度传感器对湿度的变化作出响应，并把这种响应体现为电阻的变化。另外，该聚合物的湿度传感器容易生产与规格小型化，因此，从低成本生产与集成为器件的角度来看，是先进的。
在聚合物型湿度传感器中使用的本发明的聚合物是利用亲水性聚合材料与疏水性聚合材料的交联反应生产的。更具体讲，本发明的聚合物是利用导电性能经过改善的天然橡胶化合物制备的。其特点在于具体成分由应用的需要来决定，例如适合于在微波炉中使用的具有优良的检测性能的一个成分构成。例如，根据本发明的一个聚合物型温度传感器200，由于成分中含有天然橡胶和碳，其电阻范围可为500K欧姆至2M欧姆。对于具体的比如说在微波炉中的应用，聚合物型湿度传感器200的特点是，其成分中含有碳，其量为该聚合物结构的体积的15-20％+/-5％。
通过使用橡胶，接触端子间的连接得以改善，端子的氧化得以防止，并且湿度传感器的长期稳定性与使用寿命得以改善。另外，使消除露点成为可能。例如，通过使用天然橡胶，天然橡胶表面的露滴即被多孔的天然橡胶吸收。也就能够生产出具有可靠性，小规模以及低成本的湿度传感器。
通过使用碳，作为导电的添加剂，就能够在改良湿度与温度的条件下稳定湿度检测性能。而且，碳能增强橡胶的导电性，也就容易确定阻抗，电流与电压的值。而且，也容易根据所设计的几何图形来确定材料的电阻。也就是说，容易改变材料的阻抗。
另外，与在通用的湿度传感器中使用的聚合材料不同，本发明的导电的聚合材料提供了一个响应速度快，附着力低，并且使用寿命更长的聚合物型湿度传感器200。而且，与通用的聚合材料不同，本发明的导电聚合物在暴露于高温与高相对湿度的情况下是稳定的。
由于利用在聚合材料中加入导电微粒的技术进行生产，本发明的聚合物型湿度传感器采用碳来加入天然橡胶，以维持电阻的恒定，因此，很容易根据几何图形来改变电阻。
因为本发明的聚合物型湿度传感器的湿气检测基本原理在于通过存在于薄膜表面的细孔把水气分子物理吸收入传感器薄膜，该湿度传感器的性能就能够通过材料本身的特性以及通过其微观结构如孔径，孔的分布，以及孔隙密度来确定。因此，本发明的聚合物型湿度传感器生成的误差在允许的范围内，并表现出可靠的运行性能。
虽然给出了本发明的几个实施例并进行了描述，但是该技术领域的专业人士将会理解，在不违背本发明的原理与精神，不背离在所附的权利要求及其等效事宜中定义的范围，可以在这些实施例中作出更改。
权利要求
1.一个聚合物型湿度传感器，包括一个预定形状的聚合物结构，其中所述聚合物结构包括天然橡胶与碳；一对与所述聚合物结构连接的一对电极。
2.权利要求1的聚合物型湿度传感器，其中加入所述聚合物结构的碳在体积的15-20％+/-5％的范围内。
3.权利要求1的聚合物型湿度传感器，其中聚合物型湿度传感器的电阻在500K欧姆-2M欧姆的范围内。
4.权利要求1的聚合物型湿度传感器，其中，聚合物型湿度传感器在0％与100％的相对湿度范围内其阻抗为2000000欧姆与500000欧姆，并且在整个相对湿度范围内，该阻抗作为相对湿度的函数而变化。
5.权利要求1的聚合物型湿度传感器，其中的天然橡胶是丁腈橡胶-丙烯酸酯硝基丁二烯橡胶。
6.权利要求5的聚合物湿度传感器，其中加入所述聚合物结构的碳在所述聚合物的结构的体积的15-20％+/-5％的范围内。
7.权利要求6的聚合物型湿度传感器，其中聚合物型湿度传感器的电阻在500K欧姆-2M欧姆的范围内。
8.权利要求7的聚合物型湿度传感器，其中，聚合物型湿度传感器在0％与100％的相对湿度范围内其阻抗为2000000欧姆与500000欧姆，并且在整个相对湿度范围内，该阻抗作为相对湿度的函数而变化。
9.权利要求8的聚合物型湿度传感器，其中所述的电极位于所述聚合物结构中预定位置，并从所述聚合物结构中向外深出。
10.权利要求8的聚合物型湿度传感器，其中所述的电极设置于外部并且所述聚合物结构的外部连接。
11.权利要求8的聚合物型湿度传感器，其中的预定形状包括一个与具有湿度的气体接触的平面型表面。
12.权利要求8的聚合物型湿度传感器，其中的预定形状包括一个与具有湿度的气体接触的圆型表面。
13.权利要求12的聚合物型湿度传感器，其中所述预定形状是一个圆柱形，两极相对的两端上具有电极。
14.权利要求12的聚合物型湿度传感器，其中预定的形状是一个线圈形，在该线圈形的侧面上装有所述的电极。
15.用作聚合物型湿度传感器的检测结构的聚合物结构，包括天然橡胶；在所述橡胶中混合的碳。
16.权利要求15的聚合物结构，其中的天然橡胶是丁腈橡胶-丙烯酸酯硝基丁二烯橡胶。
17.权利要求16的聚合物结构，其中加入聚合物结构的所述的碳在该量聚合物结构的体积的15-20％+/-5％的范围内。
18.权利要求17的聚合物结构，其中的聚合物型湿度传感器的电阻在500K欧姆-2M欧姆的范围内。
19.权利要求18的聚合物结构，其中，聚合物型湿度传感器在0％与100％的相对湿度范围内其阻抗为2000000欧姆与500000欧姆，并且在整个相对湿度范围内，该阻抗作为相对湿度的函数而变化。
20.一个烹制食品的微波炉，包括一个炉体，包括一个烹制舱；一个加热部件，用于在烹制舱中烹制食品；一个出气口单元，用于排除烹制舱中的气体；一个控制单元，对食品的烹制进行控制；一个聚合物型湿度传感器，设置与于出气口所述的信息供控制单元使用，其中所述聚合物型湿度传感器包括一个预定形状的聚合物结构，并且含有天然橡胶和碳；与该聚合物结构接结构的一对电极。
21.权利要求20的微波炉，还包括一个冷却扇，用于把空气抽入烹制舱，同时对加热部件进行冷却。
22.权利要求20的微波炉，其中加入聚合物结构的所述的量在该聚合物结构的体积的15-20％+/-5％的范围内。
23.权利要求22的微波炉，其中，聚合物型湿度传感器的电阻在500K欧姆-2M欧姆的范围内。
24.权利要求23的微波炉，其中，聚合物型湿度传感器在0％与100％的相对湿度范围内其阻抗为2000000欧姆与500000欧姆，并且在整个相对湿度范围内，该阻抗作为相对湿度的函数而变化。
25.权利要求24的微波炉，其中的天然橡胶是丁腈橡胶-丙烯酸酯硝基丁二烯橡胶。
26.一个聚合物型湿度传感器，包括具有相对的两端的一个聚合物结构，其中所述的聚合物结构含有橡胶和碳；两个电极，每个与所述的聚合物结构的相对的两端中相对应的一个接结。
27.权利要求26的聚合物型湿度传感器，其中所述的聚合物结构为圆柱形，在该圆柱形的相对的两端上没有所述的电极。
28.权利要求26的聚合物型湿度传感器，其中所述聚合物结构为棱柱形，在该棱柱形相对的两端上没有所述的电极。
29.权利要求28的聚合物型湿度传感器，其中，棱柱形具有矩形的横截面。
全文摘要
在微波炉中使用的聚合物型湿度传感器,具有一个含有橡胶和预定量的碳的聚合物结构,以及与该聚合物结构连接的一对电极。本发明的聚合物型湿度传感器响应时间迅速,经久耐用,电极附着力佳,滞后低,并且在暴露于高温与高相对湿度的情况下表现出稳定性。
文档编号F24C7/02GK1423123SQ0212330
公开日2003年6月11日 申请日期2002年6月14日 优先权日2001年12月7日
发明者孙钟哲, 许政义, 吴根锡, 李源雨, 李昭显 申请人:三星电子株式会社