高分子电容湿度传感器耐极限环境应力研究

刘智敏 徐晓龙 王洪涛 杨丹

中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001

0 引言

高分子电容湿度传感器由于具有良好的灵敏度、一致性、响应速度、湿滞等优点，是目前国内外研制、生产、应用最广泛的一类湿度传感器。广泛应用于气象、航空航天、船舶舰船、电力等领域[1]，随着应用领域的增加，对传感器适应各种复杂环境的能力提出了更高的要求。航天某型号产品要求湿度传感器能够满足多次、较长时间低气压极限环境的要求，环境中的湿度接近0% RH，为极低湿环境。同时，传感器还需满足高温低气压和高湿环境（95% RH）下长期工作的要求。因此，展开对高分子电容湿度传感器失效机制的研究，提高高分子电容湿度传感器的可靠性是目前亟待解决的问题。目前，针对湿度传感器可靠性方面开展的研究多数针对高分子电容湿度传感器及陶瓷湿度传感器[2-3]。研究方法多为建立湿度传感器数学模型[4]，对传感器使用寿命进行研究或通过对材料本身性质进行研究，分析传感器工作机理，针对特定工程应用背景下的极限环境传感器的可靠性及长期寿命方面以及极限环境下传感器工作机理的研究较少。

本文基于高分子电容湿度传感器原理选取环境应力，通过传感器耐极限应力试验研究，探索高分子电容湿度传感器耐各种极限环境的能力，以期为传感器的实际应用提供科学依据。

1 传感器耐极限应力试验

1.1 应力分析

高分子电容湿度传感器的感湿机理是基于对湿度敏感的高分子聚合物含有吸水基团，吸附环境中的气态水分子，使感湿材料的介电常数发生改变，从而实现对湿度的测量。高分子湿敏电容的通常结构如图1所示。

从传感器结构、材料、工作原理出发，依据实际工程应用环境条件及实际应用过程中出现的失效情况及分析结果，结合传感器极限环境应力分析，初步总结造成传感器失效的极限环境应力主要有3种：低气压低湿、高湿、高温。以湿度传感器实际应用典型要求：低气压低湿（6.5×10-3Pa～1.0×10-4Pa、不大于5%RH）、高湿（高于95% RH）、高温（85 ℃）作为高分子电容湿度传感器极限环境应力试验研究的基础，开展极限环境试验。

1.2 试验剖面设计

根据可靠性强化试验方法，设计湿度传感器耐极限环境试验剖面[5-6]。高分子电容湿度传感器极限环境试验分为极限确认试验和综合应力试验两个阶段。极限确认试验是以步进方式施加严酷的试验应力，探索传感器高温、高湿和低气压工作极限和破坏极限的试验。综合应力试验以考核受试产品耐综合极限环境能力，暴露产品设计和工艺缺陷为目的，包括高温低气压综合应力试验和高温高湿综合应力试验。

高分子电容湿度传感器极限环境试验流程如图2所示。

1.3 失效判据

（1）传感器的D值退化到37；

（2）传感器容值的漂移超过10 pF；

（3）传感器出现机械损伤、表面污染、破裂。

2 结果与分析

2.1 高温步进应力试验结果分析

按照1.2试验剖面进行高温步进试验。试验在恒温恒湿箱内进行，条件为环境湿度50% RH，每个点恒温24 h，样本量为每个条件5只。试验中的温度应力分别为70 ℃、85 ℃、95 ℃、105 ℃、110 ℃、115 ℃、120 ℃、125 ℃、130 ℃、135 ℃、140 ℃、145 ℃、150 ℃应力水平的试验，在温度应力超过100 ℃后恒温恒湿箱内水蒸气全部蒸发，恒温恒湿箱内湿度接近0% RH。试验结果如表1所示。

表1 高温步进应力试验结果

根据表1可知，以D值为主要判断标准，135 ℃水平及以前的温度应力下，试样在高温条件以及恢复室温后均可正常工作。在高温应力下，140 ℃点出现2个样品失效，145 ℃点出现4个样品失效，150 ℃点出现5个样品失效，但恢复室温后样品性能值均恢复正常水平。

2.2 低气压步进应力试验结果分析

低气压试验在室温（25 ℃）环境下，样本量为每个条件点5只。分别测量了1×10-4Pa、1×10-5Pa两种低气压应力水平下试验前后样品的性能参数（容值、D值），并测量了1×10-5Pa应力水平下试验前后样品的线性与灵敏度。试验结果如图3所示。

根据图3可知，低气压数据每个样品只有试验前后的性能参数（D值、容值以及10-5Pa试验前后的线性度和灵敏度）对比，所有样品在试验应力下以及恢复正常应力条件后参数均处于正常水平，说明单纯在低气压应力作用下传感器很难失效。

2.3 高温高湿试验结果分析

高温高湿环境应力试验的试验温度为85 ℃、95 ℃，试验湿度应力为75% RH、85% RH、95% RH，两种应力两两组合共6个试验条件点，每个条件点保持24小时，样本量为每个条件点5只。分别测量试验应力施加前、试验条件下及恢复室温后样品的性能参数（容值、D值）。试验结果如图4～图6所示。其中，横轴为测量次数，其中第1、3、5次为试验中测得的数据，2、4次为冷却至室温后测得的数据。

由图6可知，在所有应力点，高温高湿应力下每组样品均出现了失效，恢复室温后，大多数样品的性能值都恢复了正常。但85 ℃，95% RH以及95 ℃，95% RH两应力点处仍有样品参数值未恢复正常水平，发生了硬失效，说明在高温高湿应力作用下，85 ℃，95% RH以及95 ℃，95%RH两应力水平已超过了产品的极限应力。

2.4 高温低气压试验结果分析

高温低气压环境应力试验的试验温度为85 ℃、105 ℃、115 ℃，环境压力为1×10-4Pa、1×10-5Pa。每个条件点保持10小时，样本量为每个条件点5只。分别在两种压力水平下进行了3种温度水平的步进试验，并分别测量每组试验结束恢复室温后样品的性能参数（容值、D值），试验结果如图7所示。

由图7可知，环境压力为1×10-4Pa，环境温度为85～115 ℃时，试验前后湿敏电容容值、D值均无明显变化；环境压力为1×10-5Pa，环境温度为105 ℃时，试验后有2只湿敏电容容值有明显降低；环境温度为115 ℃时，5只湿敏电容容值全部出现失效。经测试，电容灵敏度下降，湿敏电容在高真空度条件下，湿敏材料发生深度聚合脱水反应，导致产品湿敏电容容值下降，D值变大。针对此问题，可通过对湿敏电容高分子聚合物改性，提高湿材料耐真空能力，避免湿敏材料发生深度脱水。

3 结论

本文根据高分子电容湿度传感器原理及实际应用工况，选取低气压低湿、高湿、高温作为传感器极限工作应力。根据可靠性强化试验方法，进行了极限确认试验和综合应力试验。结果表明，单应力条件下，135 ℃为其工作的高温应力极限，1×10-5Pa为其低气压应力极限。因此，在实际应用中应避免传感器长期在135 ℃高温、1×10-5Pa低气压条件下工作。