一種濕度傳感器的制作方法

本發明涉及一種傳感器，特別是一種濕度傳感器。

背景技術：

濕度傳感器被廣泛的應用于眾多領域，如工業控制、醫藥生產、農業種植、氣象探測以及食品存儲等。在這些領域實現對濕度的快速、準確的測量具有重要的意義。對于濕度的測量，傳統原理的濕度感器如毛發濕度計、干濕球濕度計、露點儀等由于體積較大、成本高有的甚至含有機械部件無法與電子信息采集系統兼容，已不能滿足現階段的實際需要。

現有的濕度傳感器材料主要由多孔硅、多孔陶瓷。而多孔硅、陽極氧化鋁制備工藝相對復雜，涉及到陽極濕法腐蝕工藝，很難再進一步降低成本；以聚酰亞胺為代表的高分子化合物材料以其好的濕度感濕特性如：長期穩定性、可靠性、易加工等特點受到廣泛關注。由于濕空氣的飽和水蒸氣含量與空氣溫度成正比。當空氣溫度較高時，空氣中存在的水蒸氣多；當空氣溫度較低時，空氣中存在的水蒸氣少，但即使含有很少的水蒸氣也會產生結露。所以，即使濕空氣自身未達到飽和狀態，當濕度傳感器表面溫度低于濕空氣的飽和溫度時，物體表面的水蒸氣也會凝結，產生結露。

技術實現要素：

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種在不影響濕度傳感器測量特性的情況下，將濕度傳感器表面溫度恒定在一定的溫度范圍內，使濕度傳感器表面溫度高于環境溫度，避免濕度傳感器表面結露的濕度傳感器。

本發明采用的技術方案如下：

一種濕度傳感器，包括基底，所述基底下表面覆有襯底層，所述基底上表面設有加熱器，所述加熱器上表面設有輸出層，所述輸出層上表面覆有感濕層。

由于采用了上述技術方案，通過加熱器將將濕度傳感器表面溫度恒定在一定的溫度范圍內，使濕度傳感器表面溫度高于環境溫度，避免濕度傳感器表面結露，從而保證濕度傳感器表面感濕層采集數據的精確性。

本發明的一種濕度傳感器，所述加熱器為蛇形加熱器，所述加熱器包括三個加熱單元，從左至右分別為順序連接加熱單元一，加熱單元二和加熱單元三；所述加熱單元一與加熱單元三的一端連有電極，另一端與加熱單元二的兩端相連；所述加熱單元一沿水平方向布置，所述加熱單元一與加熱單元三鏡像對稱，所述加熱單元二沿豎直方向布置。

由于采用了上述技術方案，加熱單元一和加熱單元三在感濕層的兩側加熱，使得熱量均勻分散，加熱單元二沿豎向方向布置，避免影響加熱單元之間空氣流通，對感濕層采集數據造成影響，同時能夠有效的降低傳感器熱量散失。

本發明的一種濕度傳感器，所述電極與加熱單元之間的距離為1.5mm，所述加熱單元一的寬度l₁與加熱單元二的長度l₂相同，所述加熱單元一的長度v₁，加熱單元二寬度v₂，加熱單元一的結距d₁和加熱單元二的結距d₂符合以下公式：

由于采用了上述技術方案，進行熱仿真分析時，環境溫度選取為+10～-10℃。當環境溫度為0℃時，濕度傳感器表面的最高溫度為22.3℃，有效感濕面的平均溫度為22℃，最大最小溫度之間的差距為0.7℃；當環境溫度為10℃時，溫度傳感器表面的最高溫度為23.2℃，有效感濕面的平均溫度為23攝氏度，最大最小溫度之間的差距為0.4℃；當環境溫度為-10℃時，溫度傳感器表面的最高溫度為20.7℃，有效感濕面的平均溫度為20℃，最大最小溫度之間的差距為1.6℃。

本發明的一種濕度傳感器，所述與加熱單元三相連的電極位于加熱單元一的左上方，所述與加熱單元一相連的電極位于加熱單元三的右下方。

本發明的一種濕度傳感器，所述加熱器與輸出層之間設有保護膜，所述輸出層呈L型，所述輸出層豎直端面的底部與保護膜相連，所述輸出層水平端面與保護膜之間間隔有通訊層，所述輸出層連有若干輸出端口。

由于采用了上述技術方案，將輸出層通過保護膜與加熱器分隔開，避免能夠進一步保證熱量均勻分布在感濕面表面，同時避免加熱器表面過熱對輸出層的正常工作造成影響。將輸出層制成L型能夠保證輸出層與保護膜相連，避免通訊層將輸出層完全隔開，同時能夠使得感濕層能夠接觸到水平高度不同的濕度變化，保證數據的精確性。

本發明的一種濕度傳感器，所述感濕層呈L型，所述感濕層覆于輸出層上表面，所述感濕層僅設于加熱單元二表面。

由于采用了上述技術方案，感濕層僅在加熱單元二表面，保證有效感濕區的穩定性，通時進一步保證了感濕層采集數據的精確性。

本發明的一種濕度傳感器，所述加熱單元二下方基底的厚度小于加熱單元二和加熱單元三下方基底的厚度。

由于采用了上述技術方案，由于基體在有效感濕區的厚度不同，在相同的加熱功率及環境溫度下，濕度傳感器溫升更高，提高了加熱效率，降低了功耗，兩邊的基體厚度較厚，具有一定貯熱能力，避免熱量迅速散失。

本發明的一種濕度傳感器，所述加熱器由鉑制成，所述襯底層由納米TiO₂薄膜制成，所述基體由硅烷炔嵌段樹脂制成，所述硅烷炔嵌段樹脂的分子式為ABA，其中

由于采用了上述技術方案，加熱器、襯底層和基體的保熱和散熱性能具有較好的平衡性，在環境溫度變化的條件下性質依然穩定，能夠得到最優的加熱效果。

本發明的一種濕度傳感器，所述感濕層由氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺制成。

由于采用了上述技術方案，不僅具有優異的導熱性能，能夠極大減小感濕層表面溫度的差距，同時，具有良好的分散性和親水性。由于水分在在保持氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺的層狀結構中起到關鍵作用，水分能夠從過材料表面的環氧基中的氧與水分中的氫鍵之間的交互作用而插入材料層中。其中，m(氧化石墨烯)：m(納米Al₂O₃)：m(聚酰亞胺)＝1:2.1:3時，靈敏度高，在相對濕度為14％～91％的范圍內，濕滯為3.7％，響應時間和恢復時間分別為5s和12s。

本發明的一種濕度傳感器，所述保護膜由Na₂O-SiC-SiO₂凝膠制成。

由于采用了上述技術方案，保護膜的熱傳導性能好，具有一定恒溫作用。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

1、在不影響濕度傳感器測量特性的情況下，將濕度傳感器表面溫度恒定在一定的溫度范圍內，使濕度傳感器表面溫度高于環境溫度，避免濕度傳感器表面結露。

2、在相同的加熱功率及環境溫度下，濕度傳感器溫升更高，提高了加熱效率，降低了功耗，兩邊的基體厚度較厚，具有一定貯熱能力，避免熱量迅速散失。

3、靈敏度高，在相對濕度為14％～91％的范圍內，濕滯為3.7％，響應時間和恢復時間分別為5s和12s，采集數據的精確度高，在環境溫度變化的條件下性質依然穩定。

附圖說明

圖1是一種溫度傳感器的俯視結構示意圖；

圖2是一種溫度傳感器的側視結構示意圖。

圖中標記：1為基底，2為加熱器，3為感濕層，4為輸出端口，5為電極，6為輸出層，7為襯底層，8為通訊層，9為保護膜。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。

為了使發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

實施例1

如圖1至圖2所示，一種濕度傳感器，包括基底1，基底1的厚度為400μm，基底1下表面覆有襯底層7，基底1上表面設有加熱器2，加熱器2上表面設有輸出層6，輸出層上表面覆有感濕層3。加熱器2為蛇形加熱器，加熱器2包括三個加熱單元，從左至右分別為順序連接加熱單元一，加熱單元二和加熱單元三；加熱單元一與加熱單元三的一端連有電極5，另一端與加熱單元二的兩端相連；加熱單元一沿水平方向布置，加熱單元一與加熱單元三鏡像對稱，加熱單元二沿豎直方向布置，加熱器2和電極5采用光刻工藝和磁控濺射制備在基底表面。電極5與加熱單元之間的距離為1.5mm，加熱單元一的寬度l₁與加熱單元二的長度l₂相同，加熱單元一的長度v₁，加熱單元二寬度v₂，加熱單元一的結距d₁和加熱單元二的結距d₂符合以下公式：加熱單元三同加熱單元一鏡像對稱，其長度、寬度、結距均與加熱單元一相同。與加熱單元三相連的電極位于加熱單元一的左上方，與加熱單元一相連的電極位于加熱單元三的右下方。加熱器2與輸出層6之間設有保護膜8，輸出層6呈L型，輸出層6豎直端面的底部與保護膜8相連，輸出層6水平端面與保護膜9之間間隔有通訊層8，輸出層6連有若干輸出端口4。感濕層3呈L型，感濕層3覆于輸出層6上表面，感濕層3僅設于加熱單元二表面。加熱單元二下方基底1的厚度小于加熱單元二和加熱單元三下方基底1的厚度。

加熱器2由鉑制成，襯底層7由納米TiO₂薄膜制成，基體1由硅烷炔嵌段樹脂制成，硅烷炔嵌段樹脂分子式為ABA，其中

。感濕層3由氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺制成，其中，m(氧化石墨烯)：m(納米Al₂O₃)：m(聚酰亞胺)＝1:2.1:3。保護膜8由Na₂O-SiC-SiO₂凝膠制成，其中，n(Na⁺)：n(C⁴⁺)：n(Si⁴⁺)＝3：1:2.5。

實施例2

硅烷炔嵌段樹脂通過以下方法制備：

在四口燒瓶中加入鎂粉(6g，0.25mol)，和四氫呋喃(40ml)，氮氣氣氛下，滴加溴乙烷(25.92g，0.24mol)，引發成功后，保溫(45℃)1h；在冰水浴下滴加間二乙炔基苯(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，得到大單體格氏試劑P₁。在四口燒瓶中加入鎂粉(2.16g，0.09mol)和四氫呋喃(40ml)，氮氣氣氛下，滴加溴乙烷(8.64g，0.08mol)，引發成功后，保溫(45℃)1h；在冰水浴下滴加間二乙炔基苯(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，得到大單體氯硅烷P₂。

將P₂緩慢滴加到P₁的反應體系中。滴完加熱回流約2h。蒸除四氫呋喃，并冷卻至室溫后，在冰水浴冷卻下，加入冰醋酸(3g)和甲苯(100ml)的混合溶液，滴加2％稀鹽酸溶液(72ml)直至分液。水洗至中性，加入無水硫酸鈉干燥。過濾，減壓蒸出溶劑，得到嵌段共聚物，產率約為91％。

合成路線如下所示：

實施例3

氧化石墨烯/納米Al₂O₃/聚酰亞胺通過以下方法制備：

在室溫條件下,利用超聲波清洗器將一定比例的納米氫氧化鋁和氧化石墨烯分別分散于四氫呋喃中,同時也將聚酰亞胺溶解于四氫呋喃中,形成均一溶液；先將石墨烯的四氫呋喃溶液加入到納米氧化鋁的四氫呋喃溶液中，超聲波處理1h，然后將聚酰亞胺的四氫呋喃溶液加入到上述混合液中，攪拌下加入正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基錫，攪拌并超聲處理1h，將所得混合溶液旋涂于叉指電極結構上,蒸發除去溶劑，室溫固化成型，制備出氧化石墨烯/納Al₂O₃/聚酰亞胺分散均勻的感濕層薄膜。

實施例4

Na₂O-SiC-SiO₂凝膠(n(Na⁺)：n(C⁴⁺)：n(Si⁴⁺)＝3：1:2.5)通過以下方法制備：

用乙醇作為溶劑，將正硅酸乙酯溶解于乙醇中，用濃度為35％的鹽酸調節pH＝2，向溶液中按比例加入碳化硅，在20℃的溫度下攪拌1h，向溶液中加入二甲基二乙氧基硅烷，繼續攪拌在20℃的條件下反應1h，最后向加入乙醇鈉，再在20℃的條件下反應1h，停止攪拌，放置在室溫下陳化5～7d，得到Na₂O-SiC-SiO₂凝膠保護膜。

實施例5

本發明的一種濕度傳感器還連接有分段補償單元，分段補償單元包括PSO-BP神經網絡誤差補償。

PSO-BP神經網絡誤差補償包括以下步驟，

步驟一，設定PSO-BP神經網絡的相關參數，出入節點2個，輸出節點1個，隱層節點5個，最大迭代次數為1500，目標誤差1×10^-6，學習速率0.01，種群規模為40，慣性權重為1，其中PSO算法需要優化的權值閾值總個數為：N＝(m+1)×n+(n+1)×t，m為輸入神經元個數，n為隱層神經元個數，t為輸出層神經元個數，對粒子的速度和位置進行隨機初始化；

步驟二，按照函數計算網絡輸出與樣本期望輸出誤差絕對值之和，式中k為學習樣本，y為網絡的實際輸出，J為樣本輸出；

步驟三，將每個粒子的適應度函數值與個體極值進行比較，如果適應度函數值小，則該適應度函數值成為新的個體極值；并將新的個體極值與全局最佳適應度值進行比較，若新的個體極值小，則將其作為當前的群體極值；

步驟四，根據公式和更新粒子的位置和速度，式中ω為慣性權重；k為當前迭代次數；V為離子的速度，X為粒子的位置，c₁和c₂為學習因子；

步驟五，判斷全局最優適應度值是否小于設定誤差或者迭代次數大于最大迭代次數，若不滿足條件，返回步驟三；若滿足條件，則輸出的全局最優粒子位置極為最優的BP神經網絡權值閾值；

步驟六，根據產生的權值閾值所對應的神經網絡，計算出BP網絡的誤差平方和，根據公式f(X_i)＝E(X_i)^-1計算每個個體的適用度，根據公式計算網絡的目標函數，式中為輸入第j個訓練樣本時第k個輸出結點的輸出值；p_jk為期望的輸出值；n為訓練樣本個數；m為輸出層的神經元數，i＝1,2,…,L，L為種群規模。

實施例6

濕度傳感器中通訊層8包括RFID標簽，若干包含RFID標簽的濕度感應裝置組成的濕度監控系統，濕度監控系統，包括信號連接的若干濕度傳感器單元，MCU1控制器，若干發射器，主接收器，MCU2控制器和監控PC主機；所述濕度傳感器單元，包括內置有源RFID標簽的濕度傳感器裝置，所述濕度傳感器裝置采集濕度數據，并將值存入有源RFID標簽中；所述MCU1控制器，能夠對特定目標的RFID標簽進行讀寫，并將數據暫時存入單片機內存中；所述發射器，能夠通過射頻發射器芯片無線傳輸數據；所述主接收器，能夠接收發射器發射的無線傳輸數據；所述MCU2控制器，能夠控制通過串口將數據傳送到監控PC主機中；所述監控PC主機，能夠對數據進行顯示、存儲和運算。

所述MCU1控制器與RFID標簽的通信過程包括判斷過程，所述判斷過程連接有并聯的初次匹配過程和記憶匹配過程，所述判斷過程以下步驟，

步驟一，RFID標簽處于等待狀態，向MCU1控制器發送請求信息，判斷是否收到MCU1控制器發出的應答命令，若未收到MCU1控制器發出的應答命令，則繼續發送請求信息，其中，MCU1控制器中的分配模型為約束條件為x_ij是標簽與控制器之間的價值，L_ij是標簽與控制器之間的距離；

步驟二，若RFID標簽定時收到MCU1控制器發出的應答命令，判斷RFID標簽成功發送數據次數是否大于四次，若大于等于四次則進入記憶匹配過程；若小于四次則進入初次匹配過程。

所述初次匹配過程包括以下步驟，

步驟一，RFID標簽向MCU1控制器發送數據信息，MCU1收到信息后發送反饋信息；

步驟二，RFID標簽判斷是否收到反饋信息；若RFID標簽在一定時間內收到反饋信息則表示數據成功發送，繼續采集濕度數據；若RFID標簽在一定時間內為收到反饋信息則表示數據未成功發送，繼續嘗試發送數據。

所述記憶匹配過程包括以下步驟，

步驟一，RFID標簽向MCU1控制器發送數據信息；

步驟二，發送完成后繼續采集濕度數據。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。