一种柔性湿度传感器及其丝网印刷制造方法

本发明涉及一种柔性湿度传感器及其丝网印刷制造方法。本发明的技术方案是在我们的在先发明专利申请cn202111158676x“宽测量范围的电阻型湿度传感器”的基础上作出的进一步发展。

背景技术：

1、采用特定湿敏材料的制备好的湿度传感器成品，往往只适用于特定湿度区间的测量，只能在一定的湿度范围内具有较好的准确度，超出其测量范围，则准确度会变得极度不可信。为了实现宽湿度测量范围，通常会采取不同湿度测量范围的湿度传感器进行并联使用，使得湿度传感器系统整体能够覆盖各个子湿度传感器的湿度测量范围。但这种方式带来的问题是成本高昂、制造工艺复杂，在宽湿度测量范围和低成本、制造复杂度方面如何权衡兼顾，这真是一个令人头疼的问题。

2、另一方面，在我们的另一件在先专利申请2021111964231“基于彩色喷墨打印的柔性湿度传感器”中，使用彩色喷墨打印设备在柔性衬底上打印湿敏材料，降低柔性湿度传感器的制造成本、降低柔性湿度传感器的复杂度，生产更加容易。但是，基于彩色喷墨打印的技术在湿度传感器的制造中，速度较慢，不太适应大批量、高速度的生产制造。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种柔性湿度传感器及其丝网印刷制造方法，其目的在于：实现宽湿度测量范围，并且大幅度提高制造速度，降低制造工艺复杂性和制造成本。

2、其实现的技术方案为：

3、一种柔性湿度传感器，所述湿度传感器芯片包括柔性衬底，柔性衬底表面制作有叉指电极和湿敏材料，环境湿度越高，所述湿敏材料的电导率越高，电阻率越低；沿着叉指电极的叉指走线方向，湿敏材料的组分发生渐变，使得不同位置处的湿敏材料具有不同的最佳感湿灵敏度。

4、采用电阻型湿敏材料来实现湿度传感器的制造，湿敏材料沉积在柔性衬底上，叉指电极采集得到的信号可供获取环境湿度信号。

5、优选地，所述湿敏材料为lanazmnyfe1-yo3。

6、优选地，上述湿敏材料lanazmnyfe1-yo3中，0≤z≤0.03，0.1≤y≤0.5。

7、进一步地，上述湿敏材料lanazmnyfe1-yo3中，沿着叉指电极的叉指走线方向，z逐渐增大或逐渐减小，使得湿敏材料lanazmnyfe1-yo3的组分发生渐变，使得不同位置处的湿敏材料lanazmnyfe1-yo3具有不同的最佳感湿灵敏度。

8、优选地，所述薄膜厚度介于100nm~10μm；

9、优选地，所述柔性衬底为聚酰亚胺薄膜；

10、一种柔性湿度传感器的丝网印刷制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：

11、（1）在柔性衬底上制造叉指电极；

12、（2）在制造好叉指电极的柔性衬底上，采用丝网印刷工艺制备沿着叉指电极的叉指走线方向组分渐变的湿敏材料；

13、（3）烘干、固化步骤（2）所得到的湿度传感器；

14、优选地，所述柔性衬底为聚酰亚胺薄膜；

15、优选地，聚酰亚胺薄膜为由均苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺薄膜，热分解温度达600℃。

16、通常地，铁酸镧( lafeo3 ) 是一种典型的具有钙钛矿( abo3 )结构的稀土复合金属氧化物, 由于具有稳定的晶体结构、独特的电磁特性因此它在电学、磁学和传感器等领域都有着广泛的应用前景而成为国内外研究的热点。此外, lafeo3还是少数的同时具有反铁磁性和铁电性的单相多铁材料之一, 在信息存储、磁传感器和自旋电子器件等方面都有潜在的应用前景。

17、铁酸镧( lafeo3 )的结构如图1，其中离子半径比较大的稀土元素la比较容易占据a位，它们位于立方体的顶点；离子半径比较小的可变价的过度族元素fe比较容易占据b位，它们位于立方体的对称中心；氧离子位于立方体的楞长中点，构成氧八面体。铁酸镧(lafeo3)薄膜是典型的abo3复合结构中的一类重要的功能薄膜材料。注意：钙钛矿( abo3 )结构是固体物理学/晶体学的公知常识，本领域技术人员熟知其a位、b位所指，因此，在图1中并未标注a位、b位，也无需标注，任何本领域技术人员都知晓这一点。同样地，图2也是如此。

18、但铁酸镧( lafeo3 )用于湿度传感器则未有人意识到。为了将钙钛矿( abo3 )结构的铁酸镧( lafeo3 )用于湿度传感器，我们在这里作了一定的改变，即，如图2所示，在b位引入可变价的mn元素，也就是将b位的一部分fe替换为mn，得到lamnyfe1-yo3。

19、当lamnyfe1-yo3吸附水汽时，h2o与晶格作用，会分解为氢离子h+（即质子）和氢氧根离子oh-，也可能出现h3o+离子，导致其电阻率下降，导电性增强。同时，可变价的mn的引入，与h2o作用也会带来自由电子移动，带来的电阻率下降、导电性增强。

20、为了进一步增强湿度敏感性，我们进一步在lamnyfe1-yo3中引入na离子（na+），na+掺杂后湿敏材料lanazmnyfe1-yo3的湿敏响应特性明显提高，线性度也得到很大改善，在高湿度范围，氢离子h+（即质子）和na离子（na+）成为主要导电因素。

21、在本发明中，湿度传感器的工作机制在于：不同na比例值z的湿敏材料lanazmnyfe1-yo3，具有不同的表面电阻率—湿度特征曲线，使得湿敏材料lanazmnyfe1-yo3具有不同的最佳感湿灵敏度。在上述湿度传感器，在高湿度范围内，质子和离子起主要导电作用；在低湿度范围内电子起主要导电作用；在中间湿度范围内三种共同起作用。由此，不同位置处的湿敏材料lanazmnyfe1-yo3具有不同的表面电阻率—湿度特征曲线，使得不同位置处的湿敏材料具有不同的最佳感湿灵敏度，最终得到宽测量范围的电阻型湿度传感器；其中对于特定的传感器，y为定值。

22、掺入的na离子（na+），通常作为杂质离子出现在lamnyfe1-yo3的晶格间隙中。

23、优选地，在湿敏材料外面覆盖一层透汽性好的保护膜层，如聚四氟乙烯膜，不但可以防止有害气体对元件性能的不利影响，也可以防止对元件的机械损伤，还能防止在高湿度条件下湿敏材料的溶解和流失，从而在一定程度上改善湿敏元件的长期稳定性。

24、本发明的技术方案是在我们的在先专利申请cn202111158676x“宽测量范围的电阻型湿度传感器”的基础上作出的进一步发展，其技术原理可参阅在先专利申请cn202111158676x，在本发明专利申请中不作过多的复述。在先专利申请cn202111158676x说明书中的内容可视作本发明专利的一部分，申请人保留在必要时引入cn202111158676x说明书中的部分或全部内容的权利。

25、通过上述设置，就能够实现同一个湿度传感器响应较宽的湿度变化范围，进而实现湿度的宽测量范围。从本发明的核心构思可见，本发明提供了一种宽测量范围的电阻型湿度传感器，在保持准确度的同时，只用一个湿度传感器就实现了较宽的湿度测量范围，并且还能进一步降低制造成本、降低湿度传感器的复杂度。通过印刷工艺，取得了比彩色打印更快的制造速度。

26、至此，发明人已经详细阐述了本发明的工作原理及技术方案、技术效果。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。