高分子電容濕度傳感器耐極限環境應力研究

劉智敏 徐曉龍 王洪濤 楊丹

中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

0 引言

高分子電容濕度傳感器由于具有良好的靈敏度、一致性、響應速度、濕滯等優點，是目前國內外研制、生產、應用最廣泛的一類濕度傳感器。廣泛應用于氣象、航空航天、船舶艦船、電力等領域[1]，隨著應用領域的增加，對傳感器適應各種復雜環境的能力提出了更高的要求。航天某型號產品要求濕度傳感器能夠滿足多次、較長時間低氣壓極限環境的要求，環境中的濕度接近0% RH，為極低濕環境。同時，傳感器還需滿足高溫低氣壓和高濕環境（95% RH）下長期工作的要求。因此，展開對高分子電容濕度傳感器失效機制的研究，提高高分子電容濕度傳感器的可靠性是目前亟待解決的問題。目前，針對濕度傳感器可靠性方面開展的研究多數針對高分子電容濕度傳感器及陶瓷濕度傳感器[2-3]。研究方法多為建立濕度傳感器數學模型[4]，對傳感器使用壽命進行研究或通過對材料本身性質進行研究，分析傳感器工作機理，針對特定工程應用背景下的極限環境傳感器的可靠性及長期壽命方面以及極限環境下傳感器工作機理的研究較少。

本文基于高分子電容濕度傳感器原理選取環境應力，通過傳感器耐極限應力試驗研究，探索高分子電容濕度傳感器耐各種極限環境的能力，以期為傳感器的實際應用提供科學依據。

1 傳感器耐極限應力試驗

1.1 應力分析

高分子電容濕度傳感器的感濕機理是基于對濕度敏感的高分子聚合物含有吸水基團，吸附環境中的氣態水分子，使感濕材料的介電常數發生改變，從而實現對濕度的測量。高分子濕敏電容的通常結構如圖1所示。

從傳感器結構、材料、工作原理出發，依據實際工程應用環境條件及實際應用過程中出現的失效情況及分析結果，結合傳感器極限環境應力分析，初步總結造成傳感器失效的極限環境應力主要有3種：低氣壓低濕、高濕、高溫。以濕度傳感器實際應用典型要求：低氣壓低濕（6.5×10-3Pa～1.0×10-4Pa、不大于5%RH）、高濕（高于95% RH）、高溫（85 ℃）作為高分子電容濕度傳感器極限環境應力試驗研究的基礎，開展極限環境試驗。

1.2 試驗剖面設計

根據可靠性強化試驗方法，設計濕度傳感器耐極限環境試驗剖面[5-6]。高分子電容濕度傳感器極限環境試驗分為極限確認試驗和綜合應力試驗兩個階段。極限確認試驗是以步進方式施加嚴酷的試驗應力，探索傳感器高溫、高濕和低氣壓工作極限和破壞極限的試驗。綜合應力試驗以考核受試產品耐綜合極限環境能力，暴露產品設計和工藝缺陷為目的，包括高溫低氣壓綜合應力試驗和高溫高濕綜合應力試驗。

高分子電容濕度傳感器極限環境試驗流程如圖2所示。

1.3 失效判據

（1）傳感器的D值退化到37；

（2）傳感器容值的漂移超過10 pF；

（3）傳感器出現機械損傷、表面污染、破裂。

2 結果與分析

2.1 高溫步進應力試驗結果分析

按照1.2試驗剖面進行高溫步進試驗。試驗在恒溫恒濕箱內進行，條件為環境濕度50% RH，每個點恒溫24 h，樣本量為每個條件5只。試驗中的溫度應力分別為70 ℃、85 ℃、95 ℃、105 ℃、110 ℃、115 ℃、120 ℃、125 ℃、130 ℃、135 ℃、140 ℃、145 ℃、150 ℃應力水平的試驗，在溫度應力超過100 ℃后恒溫恒濕箱內水蒸氣全部蒸發，恒溫恒濕箱內濕度接近0% RH。試驗結果如表1所示。

表1 高溫步進應力試驗結果

根據表1可知，以D值為主要判斷標準，135 ℃水平及以前的溫度應力下，試樣在高溫條件以及恢復室溫后均可正常工作。在高溫應力下，140 ℃點出現2個樣品失效，145 ℃點出現4個樣品失效，150 ℃點出現5個樣品失效，但恢復室溫后樣品性能值均恢復正常水平。

2.2 低氣壓步進應力試驗結果分析

低氣壓試驗在室溫（25 ℃）環境下，樣本量為每個條件點5只。分別測量了1×10-4Pa、1×10-5Pa兩種低氣壓應力水平下試驗前后樣品的性能參數（容值、D值），并測量了1×10-5Pa應力水平下試驗前后樣品的線性與靈敏度。試驗結果如圖3所示。

根據圖3可知，低氣壓數據每個樣品只有試驗前后的性能參數（D值、容值以及10-5Pa試驗前后的線性度和靈敏度）對比，所有樣品在試驗應力下以及恢復正常應力條件后參數均處于正常水平，說明單純在低氣壓應力作用下傳感器很難失效。

2.3 高溫高濕試驗結果分析

高溫高濕環境應力試驗的試驗溫度為85 ℃、95 ℃，試驗濕度應力為75% RH、85% RH、95% RH，兩種應力兩兩組合共6個試驗條件點，每個條件點保持24小時，樣本量為每個條件點5只。分別測量試驗應力施加前、試驗條件下及恢復室溫后樣品的性能參數（容值、D值）。試驗結果如圖4～圖6所示。其中，橫軸為測量次數，其中第1、3、5次為試驗中測得的數據，2、4次為冷卻至室溫后測得的數據。

由圖6可知，在所有應力點，高溫高濕應力下每組樣品均出現了失效，恢復室溫后，大多數樣品的性能值都恢復了正常。但85 ℃，95% RH以及95 ℃，95% RH兩應力點處仍有樣品參數值未恢復正常水平，發生了硬失效，說明在高溫高濕應力作用下，85 ℃，95% RH以及95 ℃，95%RH兩應力水平已超過了產品的極限應力。

2.4 高溫低氣壓試驗結果分析

高溫低氣壓環境應力試驗的試驗溫度為85 ℃、105 ℃、115 ℃，環境壓力為1×10-4Pa、1×10-5Pa。每個條件點保持10小時，樣本量為每個條件點5只。分別在兩種壓力水平下進行了3種溫度水平的步進試驗，并分別測量每組試驗結束恢復室溫后樣品的性能參數（容值、D值），試驗結果如圖7所示。

由圖7可知，環境壓力為1×10-4Pa，環境溫度為85～115 ℃時，試驗前后濕敏電容容值、D值均無明顯變化；環境壓力為1×10-5Pa，環境溫度為105 ℃時，試驗后有2只濕敏電容容值有明顯降低；環境溫度為115 ℃時，5只濕敏電容容值全部出現失效。經測試，電容靈敏度下降，濕敏電容在高真空度條件下，濕敏材料發生深度聚合脫水反應，導致產品濕敏電容容值下降，D值變大。針對此問題，可通過對濕敏電容高分子聚合物改性，提高濕材料耐真空能力，避免濕敏材料發生深度脫水。

3 結論

本文根據高分子電容濕度傳感器原理及實際應用工況，選取低氣壓低濕、高濕、高溫作為傳感器極限工作應力。根據可靠性強化試驗方法，進行了極限確認試驗和綜合應力試驗。結果表明，單應力條件下，135 ℃為其工作的高溫應力極限，1×10-5Pa為其低氣壓應力極限。因此，在實際應用中應避免傳感器長期在135 ℃高溫、1×10-5Pa低氣壓條件下工作。