Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры

Полезная модель относится к нанотехнологиям, а именно к конструкции и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков на основе нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками, и может быть использована для изготовления двухпараметрического датчика влажности и температуры резистивного типа, применяемых в радиоэлектронике, приборостроении, медицине, зоотехнике и др.
2
Известен способ изготовления чувствительного элемента датчиков газов с углеродными нанотрубками по патенту РФ 2528032, публ. 2014, согласно которому чувствительный элемент представляет собой изолирующую подложку с предварительно нанесенными контактами, на которой путем нанесения пленкообразующего водно-спиртового раствора SnCl с углеродными нанотрубками формируют нанокомпозитный слой диоксида олова. Изготовленный таким образом чувствительный элемент подвергают сушке в течение 10 минут при температуре 150°С с последующим отжигом на воздухе в течение 30 минут при температуре не ниже 370°С для формирования нанокристаллической структуры.
В известном датчике газов выполнена негибкая изолирующая подложка, а при использовании невозможно размещение датчика на деформируемых элементах конструкций или поверхности биологических объектов и невозможность одновременного измерения влажности и температуры.
Известна структура (конструкция) тонкопленочного датчика влажности резистивного типа из патента РФ 2682259, публ. 2019, в виде электропроводящих дорожек оксида графена на гибкой полимерной пленке, формируемых с помощью полупроводникового лазера из нанесенной на подложку и высушенной водной суспензии оксида графена, с выводами на основе токопроводящей пасты. Проводимость оксида графена с ростом уровня относительной влажности RH от 30 до 70% возрастает почти в 3 раза. При прогонке RH в обратном направлении наблюдается явление слабого гистерезиса проводимости.
Указанный тонкопленочный датчик не позволяет осуществлять одновременное измерение влажности и температуры и, как показано, проявляет явление слабого гистерезиса проводимости.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство датчика влажности по патенту 160838 РФ, публ. 2016, в виде заготовки из медной фольги нужной формы и размеров с осажденной на нее пленкой мультиграфена, к местам расположения контактов на заготовке приклеивают стеклянную подложку и сверху наносят защитный слой требуемой формы, стравливаю фольгу с незащищенных участков, промывают и высушивают заготовку, а также удаляют защитный слой с электрических контактов.
Жесткая стеклянная подложка ограничивает применение датчика, так как не позволяет размещать датчик на деформируемых поверхностях без разрушения чувствительного элемента, датчик не позволяет одновременно измерять влажность и температуру, и также проявляет гистерезис, что создает погрешность измерения влажности и температуры.
Техническая задача состоит в том, чтобы расширить функциональные возможности датчика путем обеспечения возможности применения датчика на неровных или деформируемых поверхностях без разрушения чувствительного элемента, обеспечить возможность одновременного измерения температуры и влажности и снизить погрешность измерения влажности и температуры.
Для решения поставленной задачи заявляется следующее.
Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры, содержащий подложку, на которой размещена пленка, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде пластины из гибкого диэлектрического материала, на поверхности которой расположены два полимерных пленочных резистора в виде двух нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками, выполненных в виде одинаковых по размерам прямоугольных полосок, два соседних края которых электрически соединены путем наложения тонкой металлической контактной площадки, а два других края полосок соединены с двумя раздельными металлическими контактными площадками с образованием на одной диэлектрической подложке чувствительного элемента в виде электрической цепи из двух последовательно соединенных полимерных пленочных резисторов, все металлические контактные площадки соединены с гибкими изолированными проводниками, при этом одна нанокомпозитная пленочная полоска вместе с ее контактами с металлическими пленочными площадками покрыта защитным влагонепроницаемым материалом, при этом электрическая цепь подключена к источнику тока, а датчик включает электрическую схему измерения напряжения раздельно на каждом пленочном резисторе.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых представлены:
на фиг. 1 - структура заявляемого датчика температуры и влажности, (общий вид датчика),
на фиг. 2 - электрическая эквивалентная схема заявляемого датчика.
Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры включает подложку 1, например, из силиконового эластомера. Материал характеризуется высокой эластичностью и стойкостью к действию воды, растворов солей и кислот. На поверхности подложки расположены два полимерных пленочных резистора 2 и 3 в виде двух нанокомпозитных полимерных пленок с углеродными нанотрубками (УНТ). Полимерные пленки с УНТ выполнены в виде одинаковых по размерам прямоугольных полосок. Два края полосок электрически соединены путем наложения тонкой металлической контактной площадки 4, а два других края полосок соединены с двумя раздельными металлическими контактными площадками 5 и 6. Пленочные резисторы с контактными площадками образуют электрическую цепь из двух последовательно соединенных полимерных пленочных резисторов 2 и 3. Один нанокомпозитный пленочный резистор 3 вместе с его контактами с металлическими площадками 4, 5 покрыт в атмосфере сухого воздуха влагонепроницаемым защитным материалом 7, например, лаком, компаундом, гелем. Металлические контактные площадки 4-6 соединены с гибкими изолированными проводниками (не обозначены), например, контактной или ультразвуковой сваркой.
1
2
Электрическая цепь подключена к источнику тока 8. Падение напряжений U и U раздельно на каждом пленочном резисторе измеряется, например, вольтметром (на фиг. 1 V1 и V2) или аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера.
1
2
Электропроводность полимерных пленок зависит от температуры и влажности. При работе датчика для измерения влажности и температуры электрическая цепь (чувствительный элемент) подключается к источнику тока 8. На фиг. 2 на эквивалентной электрической схеме сопротивление R соответствует незащищенному пленочному резистору 2, а сопротивление R соответствует пленочному резистору 3, покрытому защитным материалом, и его измеряемый параметр - электрическое сопротивление - зависит только от температуры и не зависит от влажности.
g
g
Зависимость электропроводности полимерных нанокомпозитов с УНТ от температуры в диапазоне температур примерно от - 150°С до температуры T стеклования полимера (для поливинилового спирта, например, T=85°С, для ППМА - 105°С) описывается известной формулой [см., например, Елецкий А.В., Книжник А.А., Потапкин Б.В., Кении Х.М. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки // Успехи физических наук, 2015, №3. С. 243.]:
1
2
где A, T и Т - некоторые параметры, определяемые свойствами полимера и параметрами УНТ.
2
Соответственно, сопротивление R пленочного резистора 3, покрытого защитным материалом, будет зависеть только от температуры, и эту зависимость можно записать в виде
20
0
0
0
1
2
2
К1
К2
где R (T, 0) - значение сопротивления пленочного резистора 3 при некоторой заданной температуре Т калибровки датчика (например, при комнатной температуре Т=20°С) и нулевой влажности; параметры Т и Т определяются при предварительной калибровке датчика путем дополнительного измерения R(T) еще при двух известных значениях температуры калибровки Т и Т и решения полученной системы уравнений.
1
Зависимость электрического сопротивления R пленочного резистора 2 от температуры Т и относительной влажности Ψ окружающего воздуха запишем в общем виде:
10
0
0
где R (T, 0) - значение сопротивления пленочного резистора 2 при температуре Т и нулевой влажности; а функция F(T, Ψ) определяется при предварительной калибровке датчика в рабочем диапазоне измеряемых величин и задается либо в виде формулы, либо в виде таблицы.
х
х
0
1изм
2изм
При размещении датчика на контролируемом объекте и(или) в контролируемой среде с неизвестной температурой Т, и влажностью Ψ и при пропускании через пленочные резисторы тока I по результатам измерения падения напряжений U и U можно определить (рассчитать) значения искомых величин.
2изм
2
х
Напряжение U на резисторе R, зависимое только от измеряемой температуры Т, согласно (2) будет равно
1
а на резисторе R, зависимое и от температуры, и от влажности, соответственно будет равно
х
Из (2) получаем выражение для определения значения Т
х
х
При известном значении Т значение Ψ находится их решения (расчетным путем или из таблицы) уравнения
1
1
2
2
Таким образом, измеряемые параметры датчика: U на пленочном резисторе R и U на пленочном резисторе R, позволяют осуществить одновременное определение текущей температуры объекта, с которым совмещен, нанесен, приклеен гибкий пленочный датчик, и определение влажности окружающей объект среды.
Структура гибкого датчика позволяет его использовать на неровных и деформируемых поверхностях без потери работоспособности, а на погрешность измерения не влияют колебания температуры при ее повышении или снижении, а также влажности. Заявляемый датчик характеризуется простым изготовлением с применением известных материалов, технологических приемов и оборудования.