专利名称：无机高温树脂湿敏元件与数字湿度传感器的制作方法
常用于湿度测量的湿敏元件可分为无机盐氯化锂型、陶瓷型和高分子树脂型三大类。它们各有其优缺点，如氯化锂型的测量精度高、灵敏度大，但怕结露流涎；陶瓷型不怕结露，但怕污染；高分子树脂型不怕结露，但怕老化，且后两者的测量精度和灵敏度均不如前者，这些都是功能材料的基本特性决定的。无机盐氯化锂是由正离子锂(LI+)和负离子氯(CL-)组成，聚酰亚胺的分子式中含有容易打开的碳与氧的双键(C＝O)。这样就能把氯离子(CL)与酰亚胺中的碳(C)结成共价键，使锂离子(LI)与氧(O)结成共价键，这种结合就产生了氯化锂聚酰亚胺。
用这种氯化锂聚酰亚胺功能材料制成的湿敏元件的感湿机理与氯化锂湿敏电阻相同，是通过对空气中水蒸气的吸附，故有电阻性能，但又有不同之处，是在于新湿敏元件中的氯和锂离子与高分子中的碳和氧形成共价键，在结露后不会因溶解而流失，故能耐高湿。该湿敏元件与聚酰亚胺湿敏元件相同之处在于分子中有偶极矩，当有水分子吸附时，器件的电容增大，因而具有电容性，但它们又有不同之处，在于因内含氯与锂离子，介电常数显著增加，故灵敏度提高。因此，该湿敏元件即具有氯化锂湿敏电阻和聚酰亚胺湿敏电容两者的优点，而又避开其缺点，它既是一个电容性器件，又是一个电阻性器件，故其参数亦可用阻抗或导纳来表示。由于这种方法很容易扩展到其他有测湿特性的无机盐和含有双键的高温树脂中去，故称无机高温树脂湿敏元件。将这种元件装置在一个传感器的阻容型振荡回路中，通过直接校准法，把被测湿度的物理量，不经过模拟电压环节直接转换成相对应的数字。这种直接枝准的方法是在整个被测量程内选取相对湿度值的@1，@2，@3三点，而第二点@2是@1和@3的中值。如果在@1，@2，@3三点测得的湿度电阻参数为R1，R2，R3，假使要使该段内电导线性化，就必须串一电阻Rs，其值应为Rs＝(R1*R2+R2*R3-2R1*R3)/(R1+R3-2R2)若振荡电容C0，并联电阻Rp，选取值为C0＝k*[(R1-R2)/((F2-F1)*(RS+R1)*(RS+R2))].
Rp＝(RS+R2)/[(F2*C*(RS+R2)-1)]式中f1，f2，f3为与相对湿度相当的频率值。将计算好的Rs，Rp，C0值的相应元件装入振荡器中，略加调整，即可使传感器输出的重复频率在@1，@2，@3三点上与被测湿度值相符，其余各点可用计算机进行修正。结果得F＝N*10+1000HZ(N为正整数)，根据实际需要选择N。N大可提高分辨力，但过大，则稳定性稍差，故最常用的是N为1或2。频率输出法的优点是精度高、稳定性好，应用面广，但它的缺点是测量速度慢，每两秒钟才能测一个点。当工作速度要求快时，可用时间输出法代替。时间输出法的工作原理与频率输出法基本相同，脉宽是时间的常数，故单位以微秒计，它是频率的倒数。如果采用电容参数，每度为10us，零度为1000us。则同样可获得时间值代表被测湿度值。即ti＝10*@i+1000us，可得每度10us的数字值。
为了使传感器能与主计算机直接通讯，因而制成数字输出的智能化湿度传感器。将湿敏元件所感应出的与湿度相对应的数字值，直接写入单片微机的芯片。通过软件使传感器智能化，能与主计算机直接通信。
这些数字传感器与无机高温树脂湿敏元件结合起来，具有下面一些优点1.有高的测量精度和稳定性。由于氯化锂和聚酰亚胺都是两种最稳定的测湿用的功能材料，且其参数又从标准中导出，采用直接校准法，没有由于电压转换、模数转换所增加的附加误差。
2.抗干扰能力强。由于在转换过程中没有出现电压这个模拟量环节，因此所有电压干扰信号难以进入本数字系统。
3.便于远距离传输。因为不论频率输出、时间输出或数字输出，在传输过程中都不会受到衰减，而模拟电压信号则不同。
4.易于与计算机接口。因传感器所有输出信号都是0或1的数字信息，故能与计算机兼容，又由于直接较准，不需复杂计算，计算机即可识别应用。
5.由于采用接枝技术，发挥了各功能材料的优点而避其缺点，因而本传感器具有耐高温，耐高湿，耐幅射，耐污染，机械强度好等性能，能在比较恶劣的环境下工作。
6.本数字传感器采用三线制。一端加直流工作电压，一端接地，一端输出信号，故称三端式数字湿度传感器。不需另加任何元器件即能与频率计、计时器、计算机等直接配合工作，使用甚为简单。
权利要求
1.、本发明的特征是将能用于湿度测量的无机盐接枝在一种有双键存在的高温构脂的分子中，以构成一种新的测湿元件。典型的例子是将无机盐氯化锂接枝在高温树脂聚酰亚胺中，以构成氯化锂聚酰亚胺湿敏元件。它具有氯化锂湿敏电阻和聚酰亚胺湿敏电容两者的优点，而避其缺点。将该湿敏元件装置在传感器的振荡回路中，采用直接校准法，把被测的相对湿度值转换成其相对应的数字值，以构成三端式数字湿度传感器。
2.、根据权利要求(一)中所述，无机盐与高温树脂接枝的特征是在所制成的感湿膜中含有该接枝的共价键，在此实例中即含有氯和碳的共价键。
3.、根据权利要求(一)中所述，无机盐高温树脂湿敏元件性能的特征是一个即有电容性，又有电阻性的两种复和参数，可用电容、电阻、阻抗或导纳表示。
4.、根据权利要求(一)中所述的三端式数字湿度传感器的特征在于(1)采用直接校准法将被测相对湿度的物理量不经过直流电压这个环节直接转换成所对应的数字值。(2)传感器输出的数字值与被测相对湿度的数字值是直线的对应关系。只是根据需要乘以一个N*10(N为正整数)的常数，并加以一个常数1000的零值。(3)该传感器的输出不论频率式、时间式或数字式均能与计算机接口或直接通讯，不需另加任何外接器件。
全文摘要
将传统用于湿度测量的无机盐氯化锂接枝在同样用于测湿的高温树脂聚酰亚胺中,以制成新的无机高温树脂湿敏元件。它既具有氯化锂精度高、灵敏度大的优点,又具有聚酰亚胺耐高温,耐高湿,耐污染,耐辐射,机械强度好的性能,扬长避短,彼此互补。它已成为一种新的功能材料—接枝的氯化锂聚酰亚胺,因而具有优良的性能。采用直接校准法将该湿敏元件所测得的湿度值,通过一振荡器直接转换成相对应的数字,以制成三端式数字湿度传感器。该传感器有三种输出形式,即频率输出、时间输出和数字输出。三者均可不加任何外部器件能与计算机直接接口,使用甚为方便。
文档编号G01N27/00GK1268665SQ9910312
公开日2000年10月4日 申请日期1999年3月25日 优先权日1999年3月25日
发明者魏俊奇, 魏超 申请人:魏俊奇, 魏超