高灵敏纸基无湿敏材料电容式湿度传感器

程子豪，宋 智，夏雨人，薛严冰

(1.大连交通大学自动化与电气工程学院，辽宁大连 116028；2.大连交通大学计算机与通信工程学院，辽宁大连 116028)

0 引言

为满足对未来电子设备的可穿戴需求，学者们致力于研究工艺简单、成本低、柔性可穿戴的湿度传感器，以实现它们在便携式监测仪、包装、电子纺织品等方面的应用[1]。

对于柔性湿度传感器，当前主要分为电容式[2-4]、电阻式[5-6]、谐振式[7-9]3类。电容式湿度传感器的功耗更小、响应较快、动态响应线性度好、受温度影响小[10]。近年来，利用纸质材料自身良好的吸湿性，学者们提出了一种无需湿敏材料的纸基湿度传感器[11-12]。文献[11]直接用铅笔在普通打印纸上绘制叉指电极实现了一种电容式湿度传感器，制作简单、成本低，但不适于快速生产，且传感器的灵敏度在相对湿度30%～99%范围内仅有216%。文献[12]以普通打印纸为基底，利用丝网印刷工艺制成湿度传感器，制作简便，最大灵敏度达到1 214%，但响应时间在5 min以上，响应速度慢，湿敏性能有限。

综上，由于无湿敏材料的加载，传感器自身纸基底对水分子的敏感性就成为影响传感器性能的最主要因素。本文从IDE指数等影响传感器湿敏性能的结构参数入手，利用COMSOL Multipysics软件仿真设计了兼顾高灵敏度、快速响应的电容式纸基湿度传感器模型。利用丝网印刷工艺将模型结构印在3种不同的纸基底上，测试研究3种传感器的湿敏性能，得到具有高灵敏度、快速响应/恢复速度的纸基无湿敏材料传感器，最后测试选择了传感器的合理工作电压频率，进一步优化了器件性能。

1 传感器结构设计

本文采用IDE电容器作为传感器的基本结构，传感器尺寸固定为20 mm×25 mm。通过仿真不同IDE指数传感器的湿敏性能，优化传感器结构，建立综合性能最好的纸基无湿敏材料湿度传感器模型。

1.1 传感器湿敏原理仿真

利用有限元仿真软件COMSOL Multipysics对传感器的性能进行仿真。环境温度设定为25 ℃，银质电极，纸基底的初始介电常数设定为3[13]。

1.1.1 仿真模型及参数

建立如图1所示的10指、20指、30指IDE结构模型，统一定义基底厚度为0.24 mm。3种结构的指长都为15 mm，其中10指的指宽和指间距为1 mm；20指的为0.5 mm；30指的为0.35 mm。

1.1.2 IDE指数对传感器性能的影响

在0～100%湿度范围内，工作电压为1 V/1 kHz的条件下，仿真分析10指、20指、30指IDE结构传感器的湿敏特性，结果如图2所示，可以看出传感器的输出电容值与相对湿度成正相关，且IDE指数越多传感器灵敏度越高。在图2(a)中，利用电容变化倍率计算传感器的灵敏度:

(1)

式中：SRH为某湿度点传感器的灵敏度；CRH为某湿度点传感器的输出电容；C0为初始湿度点传感器的电容。

图2(b)为瞬态仿真结果，为了方便对比，对3种结构传感器的输出电容值做了归一化处理，响应/恢复时间定义为电容值达到总电容变化量的90%时所用的时间。随着电极指数的增加，传感器的响应时间由162 s增加至270 s，恢复时间由199 s增加至343 s。由仿真结果分析，IDE指数的增加明显增强了传感器的灵敏度，但也减缓了其响应/恢复速度。相较之下，20指IDE传感器兼顾高灵敏度(1 043.9%)、良好的响应/恢复速度(198 s/241 s)，综合性能最优。

(a)湿度敏感性

(b)响应/恢复时间图2 纸基湿度传感器仿真结果

2 实验

选择厚度皆为0.24 mm的A4打印纸(180 g/m2)、柯达相纸(200 g/m2)、双面铜版纸(260 g/m2)3种纸基底制作传感器。

采用丝网印刷工艺制作IDE层，印刷材料为导电银浆(ED002)，干燥设备为电热鼓风干箱(DHG-9245A)。制成的纸基湿度传感器如图3(a)所示，其中导线用环氧导电胶混合铜粉粘接。

搭建图3(b)所示的灵敏度测试平台[14]，包括密封测试罐、加热板、混湿风扇、注射器、温湿度仪。加热板用来蒸发注射器注入的定量水珠，利用混湿风扇使水蒸气均匀分散于密封测试罐中，通过标准温湿度仪记录罐内温湿度，可实现对罐内相对湿度的控制。图3(c)为传感器的响应/恢复性能测试盒，将饱和硫酸铜溶液置于密封盒内静置48 h以上，以创造稳定的95%高湿环境，测试时将传感器通过开孔处插入/拿出密封盒。采用LCR测试仪(LCR-821)实时检测、记录传感器的电容值随湿度不同而产生的变化。

(a)纸基湿度传感器

(b)灵敏度测试设备

(c)响应/恢复性能测试盒

3 结果与分析

在25 ℃室温、相对湿度40%～99%范围内对所制纸基湿度传感器进行了感湿特性测试，验证了制作工艺的一致性，研究了纸基类型、工作电压频率对其性能的影响。

3.1 工艺一致性

为了验证制作工艺一致性，测试了以柯达相纸为基底的20指IDE传感器3个样品的灵敏度，每个湿度点的灵敏度数据取传感器响应稳定后60个时间点的平均值，图4为一致性测试结果。

图4 工艺一致性测试结果

可以看出，3个样品在40%～99%湿度范围内灵敏度皆具有较小的相对误差，最大相对误差为15%，出现在70%湿度下。制作工艺对传感器性能的影响较小，表现出良好的工艺一致性。

3.2 纸基类型对传感器灵敏度的影响

设置工作电压为1 V/1 kHz，分别以打印纸、柯达相纸、双面铜版纸为基底对20指IDE传感器进行了测试，结果如图5所示。

(a)湿度敏感性

(b)响应/恢复时间图5 纸基类型对传感器灵敏度的影响

由图5(a)看出，3种基底的湿度传感器电容皆与湿度成正相关，灵敏度都在99%湿度下达到最高(打印纸为373%、柯达相纸为4 247%、双面铜版纸323%)，在整个湿度范围内打印纸基底与双面铜版纸基底传感器的灵敏度几乎相同，柯达相纸基底传感器的灵敏度在较宽的湿度范围内都远高于两者，表现出卓越的湿度敏感性。

将传感器在40%的环境湿度下稳定1 min后插入/取出密封盒，测试了湿度从40%阶跃至95%的传感器响应/恢复时间，如图5(b)所示。双面铜版纸有着最快的响应速度(117 s)，柯达相纸的恢复时间最快(145 s),打印纸的响应/恢复速度都不理想。通过以上实验结果对比不难发现，以柯达相纸为基底的20指IDE传感器综合性能最优，之后统称为Ⅰ型传感器。

3.3 工作电压频率对传感器性能的影响

分别在1 V/1 000 Hz、1 V/500 Hz、1 V/200 Hz、1 V/100 Hz的工作电压下，用上述相同的方法测试了Ⅰ型传感器的湿敏性能，结果如图6所示。

(a)湿度敏感性

(b)响应/恢复时间图6 电压频率对Ⅰ型传感器性能的影响

由图6(a)可以看出，工作于4种电压频率内的Ⅰ型传感器在40%～70%湿度范围内的灵敏度变化幅度不大，当湿度高于70 %后灵敏度才开始大幅增长，测试电压频率越低，传感器灵敏度越高。图6(b)中，工作频率对Ⅰ型传感器响应/恢复时间的影响是不规律的，较低的电压频率可以加快传感器的响应/恢复速度，如果电压频率过低，同样会对传感器的响应/恢复速度产生不利影响。不同工作频率下Ⅰ型传感器的性能测试结果如表1所示。

表1 不同电压频率下Ⅰ型传感器的性能

对比以上测试结果，1 V/200 Hz工作电压下的Ⅰ型传感器具有最优的综合性能。且容易看出在所有的测试中，纸基湿度传感器对湿度的响应整体都是非线性的，其灵敏度与湿度成正相关。造成这种现象的主要原因可能是由于在低湿环境下，纸张表面吸附水分子主要依靠速率较慢的化学吸附，而在高湿环境下逐层进行快速的物理吸附。这必然导致介电常数和电容的显著增加。

在25 ℃、1 V/200 Hz的工作电压下，测试了Ⅰ型传感器的重复性和长期一致性，结果显示其在3个响应/恢复周期内的最大灵敏度相对误差不超过7%，在连续15天70%环境下的灵敏度最大相对误差为6.8%，表现出良好的重复性和长期稳定性。

为了评估本文研制湿度传感器的性能，对不同电容式纸基无湿敏材料湿度传感器进行比较，如表2所示。与文献所报道的传感器相比，本文研制的传感器兼顾了高灵敏度和快速的响应/恢复速度，有利于应用在便携式电子产品领域。

表2 不同电容式纸基无湿敏材料湿度传感器性能对比

4 结论

本文通过优化传感器结构及选择合适的纸基底类型，解决了当前电容式纸基无湿敏材料湿度传感器无法同时具备高灵敏度、快速响应/恢复速度的问题，通过改变传感器的工作电压频率，进一步优化了传感器性能。得出结论如下：

(1)IDE指数影响着传感器的湿敏性能。相同传感器尺寸下，IDE指数越多，传感器的灵敏度越高、响应/恢复速度越慢。

(2)纸基底的类型对传感器湿敏性能影响至关重要。双面铜版纸的灵敏度最低，打印纸次之，柯达相纸灵敏度远高于前两者，在高湿下达到了4 247%，双面铜版纸具有最快的响应速度，柯达相纸的恢复时间最短，打印纸的响应/恢复时间均高于4 min，性能较差。研究结果为电容式纸基无湿敏材料湿度传感器基底选择提供了参考。

(3)根据需求，应选择合适的工作电压频率。工作电压频率的降低，明显提高了纸基湿度传感器的灵敏度，但其对传感器响应/恢复时间的影响并不是规律的。

(4)通过测试得出，以柯达相纸为基底的20指IDE传感器在200 Hz的工作电压下具有高达7 379%的灵敏度，以及108 s/131 s的响应/恢复时间，同时具有良好的一致性、重复性和长期稳定性。