CN107807156A - 电容式感湿元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式感湿元件，包含一基板、一第一电极、一第二电极以及一感测层，其中该第一电极设置于该基板上，该感测层设置于该第一电极上，该第二电极设置于该感测层上。该第二电极为一多孔电极，该感测层为一多孔隙介电材料，且该感测层厚度介于50nm至5mm之间。当汗液由该第二电极扩散至该感测层，吸收汗液后该感测层其介电常数产生改变，致使该电容式感湿元件的电容量产生改变，因此可应用于穿戴式装置，并通过扩散面积与介电常数换算汗量，以了解人体排汗程度。另外，持续施加偏压会产生热能干燥该感测层，水份蒸散后即可重复使用。

Description

电容式感湿元件

技术领域

本发明是关于一种电容式感测元件，尤指一种使用多孔电极与多孔隙介电材料，并以持续施加偏压产生热能方式干燥感测层，即可重复使用的电容式感湿元件。

背景技术

台湾处于湿热的亚热带，湿度很重，因此湿度检测广泛用于工业、医疗、科技与生活等领域，渐渐成为生活品质的重要指标。在早期用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，已经无法满足现在的需求，所以依据现代科技发展的需要，使得测量湿度要比测量温度复杂的多，温度可以被独立的测量，然而湿度却会受其他因素如大气、温度，影响灵敏度及响应速度。

习知湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类，电阻式的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，即可测量湿度，虽然灵敏度高，但是线性度和产品的互换性差；而电容式一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等，当环境湿度发生改变时，介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，不仅灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化。

但习知介电层材料如氧化钙，吸水后会变成粉末状的氢氧化钙，具有毒性；氯化钙不可碰水，吸湿后的溶液呈碱性则会造成轻微水质污染；而水玻璃、二氧化硅，每隔一段时间需置入烤箱或微波炉加热还原，否则无法重复使用等等缺点。除了以上所述，习知湿敏元件其灵敏度也容易受到环境因素影响，或者仅适用于感测受测液体中是否存有有机物。

发明内容

为解决习知介电材料吸水后具有毒性或污染性，且容易受大气湿度影响其敏感度，需额外处理才能重复使用，且介电材料为有机材料，仅适用于侦测是否含有机物的问题，故本发明提供一种电容式感湿元件，使用多孔隙的无机介电材料，此无机介电材料为二氧化硅相关多孔硅材料，其优点为无毒、环保，热稳定高，调节湿气的效果比备长碳好，且能分解甲醛、总挥发性有机物(TOVC)等有害物质，吸水效能比上述习知介电材料都要好，因此提高了反应速度及稳定性，可应用于穿戴式装置，并借由吸收汗液后的扩散面积与介电常数来换算汗量，以了解人体排汗的程度。另外，还可以持续施加偏压产生热能的方式干燥感测层，所以水份蒸散后即可重复使用。

本发明的电容式感湿元件，结构包括：一基板；一第一电极，设置于该基板上；一感测层，设置于该第一电极上，其中该感测层为一多孔隙介电材料，且该感测层厚度介于50nm至5mm之间；以及一第二电极，设置于该感测层上，其中该第二电极为一多孔电极。

该第一电极与该第二电极的材料是选自由金(Au)、银(Ag)、氧化铟锡(ITO)及其组合所组成的群，其中该第一电极与该第二电极的材料为金。该多孔隙介电材料包含二氧化硅(SiO2)，可为硅藻土、旋涂式玻璃(SOG)或中孔洞二氧化硅，中孔洞二氧化硅如MCM-41、SBA-15等。该多孔电极为指叉式电极、梳状电极或网状电极。该基板的材料是选自由硅晶圆、玻璃及塑胶所组成的群，或是该基板的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

当汗液由多孔的该第二电极扩散至感测层，使该感测层吸收汗液后其介电常数产生改变，致使该电容式感湿元件的电容量产生改变，并借由扩散面积与介电常数换算汗量，了解人体排汗程度，因此可将本发明应用于穿戴式装置。由于本发明该感测层使用多孔隙的无机介电材料如二氧化硅相关多孔硅材料等，其优点无毒、环保，且调节湿气的效果比备长碳好，还能分解甲醛、总挥发性有机物(TOVC)等有害物质。优化的电容式感湿元件结构及材料，不仅能使汗液快速扩散吸收，渗透性及吸水效能提高，也进而提高反应速度及稳定性。

为使本发明成为具有回复性的电容式感湿元件，提供一种电容式感湿元件的使用方法，步骤包括：提供上述结构的电容式感湿元件；提供一检测液体至该第二电极；施加一第一偏压至电容式感湿元件；侦测该电容式感湿元件的一电容量；利用该电容量计算该检测液体的体积；以及施加一第二偏压至电容式感湿元件以干燥感测层。其中该第一偏压的施加时间，为该检测液体被提供至该上电极后2-5分钟。该第一偏压与该第二偏压值为0.05V～0.1V之间。该检测液体为水或汗液。

当持续施加第二偏压时会产生热能干燥该感测层，故水份蒸散后即可重复使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的电容式感湿元件结构示意图。

图2为本发明感测层材料为硅藻土扫描式电子显微镜图。

图3为本发明感测层材料为硅藻土孔隙扫描式电子显微镜图。

图4为本发明一实施例的电性测试结果。

图5为本发明加入0(没加水)～6μL水的电性测试结果。

图6为本发明另一实施例的电性测试结果。

图7为本发明的另一电性测试比较图。

附图标记：

电容式感湿元件1；基板10；第一电极20；感测层30；第二电极40。

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明的电容式感湿元件结构示意图，一电容式感湿元件1由下往上依序包含一基板10；一第一电极20，设置于该基板10上；一感测层30，设置于该第一电极20上；以及一第二电极40，设置于该感测层30上。

上述电容式感湿元件1结构由下列制作步骤而成：在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板10上蒸镀铬/金(Cr/Au)形成该第一电极20，在该第一电极20上滴管铺粘着剂，再以电磁加热搅拌机65℃下烤干粘着剂，将一多孔隙介电材料硅藻土和水混合后铺在粘着剂上，在电磁加热搅拌机以65℃烤干硅藻土形成感测层30，该感测层30厚度介于50nm至5mm之间，利用金属光罩蒸镀铬/金(Cr/Au)在该感测层30上形成该第二电极40，该第二电极40为梳状电极，且也为一多孔电极。因为该第一电极20为整个感测层所包覆，因此，隔绝该第一电极20与氧接触的机会，所以不会有氧化的问题。

该基板10的材料除了聚对苯二甲酸乙二酯(PET)外，还可为选自由硅晶圆、玻璃及塑胶所组成的群。该第一电极20与该第二电极40的材料除了铬/金(Cr/Au)外，还可为选自由金(Au)、银(Ag)、氧化铟锡(ITO)及其组合所组成的群。该多孔隙介电材料除了硅藻土外，还可为旋涂式玻璃(SOG)、中孔洞二氧化硅，中孔洞二氧化硅如MCM-41、SBA-15等，或是其他包括二氧化硅的多孔隙介电材料。该多孔电极除了为梳状电极外，还可为指叉式电极或网状电极。

请参考图2和图3，图2为本发明感测层材料为硅藻土扫描式电子显微镜图；图3为本发明感测层材料为硅藻土孔隙扫描式电子显微镜图。图2、图3分别为分辨率4μm与1μm的硅藻土电子显微镜图，可看到无机材料的硅藻土具有独特的结构，硅藻壳上面的多孔洞，呈有不规则排列，孔隙率极高，孔洞大小不一1.13μm、1.15μm、1.24μm，除有规则的粗孔，还有许多微小细孔，因此渗透性好吸水效能好。硅藻土不仅天然、环保、无毒，调节湿气的效果比备长碳好，且能分解甲醛、总挥发性有机物(TOVC)等有害物质，还具有很高的热稳定性。另外，除了硅藻土外，本发明也可使用含二氧化硅的旋涂式玻璃(SOG)，或中孔洞二氧化硅如MCM-41、SBA-15等，都与硅藻土一样环保、无毒、孔隙率极高、高的热稳定性，具有良好的渗透性及吸水效能。本发明不以此为限。

参考图1，当汗液由多孔的该第二电极40扩散至该感测层30，使该感测层30吸收汗液后其介电常数产生改变，施加偏压后，致使该电容式感湿元件的电容量产生改变。吸汗前电容量c＝εX(A/d)，吸汗后电容量△c＝△εX(△A/d)，ε为吸汗前的介电常数，A为吸汗前的扩散面积，△ε为吸汗后的介电常数改变量，△A为吸汗后的扩散面积，d为该感应层30的厚度。在本实施例中，△A扩散面积＝电极数xWxL，W为该第二电极40宽度，L为该第二电极40长度。表1为在电极数为5时，不同电极长度、宽度，所求得的扩散面积。如表1所示，当W为50μm，L为2400μm时，电极数为5，则△A扩散面积＝5x50x2400＝600,000μm²；当W为50μm，L为2800μm时，△A扩散面积为700,000μm²，表1中还有其它不同的W和L值。可将本发明应用于穿戴式装置，借由扩散面积与介电常数换算汗量了解人体排汗程度。

表1扩散面积

由于汗液吸收前后该感测层30的介电常数会改变，且硅藻土感测层厚度d已知，而该感测层30吸收汗液后横向扩散，并可由上述公式推得扩散面积。因此，由于变量为扩散面积，故以扩散面积大小可知该感测层30吸收汗量的多寡。换言之，由于汗量较少时，随之横向扩散W小，因此△A扩散面积也小，表示该第二电极40接触的感测面积也小，故所得的电容量值c小；反之，汗量多，横向扩散W愈大，因此△A扩散面积愈大，故所得的电容量值c也愈大。因此，可借由吸收汗液后的扩散面积与介电常数来换算汗量。

请参考图1、图4以及图5，图4为本发明一实施例的电性测试结果；图5为本发明加入0(没加水)～6μL水的电性测试结果。为使本发明成为具有回复性的电容式感湿元件1，其使用方法步骤为提供一电容式感湿元件，在本实施例中，于一PET基板10上设置材质为金的一第一电极20，并于该第一电极20上设置一感测层30，该感测层30材料为硅藻土内含二氧化硅及微量的二氧化钛，该感测层30厚度为1000μm，并于感测层30上设置材质为金的一第二电极40，该第二电极40为一多孔电极，该多孔电极为梳状电极。由于使用该多孔电极以及多孔隙无机介电材料，使得本发明的渗透性及吸水效能都提高。以65℃加热后，再将一检测液体如水或汗液加至该第二电极40，当该检测液体由该第二电极40扩散至感测层30后，施加一第一偏压至该电容式感湿元件1，侦测电容式感湿元件1的一电容量，利用电容量计算该检测液体的体积，再施加一第二偏压至该电容式感湿元件以干燥该感测层30。由上可知，本发明以持续施加该第二偏压产生热能的方式干燥该感测层30，故水份蒸散后即可重复使用。其中该第一偏压的施加时间为该检测液体被提供至该第二电极40后2-5分钟。该第一偏压与该第二偏压值为0.05V～0.1V之间。依据上述使用方法步骤，施加0.5V偏压，依序量测出加入0～16μL水的电容量，如图4所示，将图4中圈起来的部分0～6μL另详细以图5所示，0代表没加水。可知加入的该检测液体量愈大，其电容量愈大，表示电容变化量与该检测液体的量成正比。

请参考图1、图6及图7，图6本发明另一实施例的电性测试结果；图7为本发明的另一电性测试比较图。于一PET基板10上设置材质为金的一第一电极20，并于该第一电极20上设置一感测层30，该感测层30材料为有筛过的硅藻土，硅藻土内含二氧化硅及微量的二氧化钛，该感测层30厚度为100μm，并于该感测层30上设置材质为金的一第二电极40，该第二电极40为一多孔电极，该多孔电极为梳状电极。由于使用该多孔电极以及多孔隙介电材料，使得本发明的渗透性及吸水效能都提高。以65℃加热后，施加0.5V偏压，依序量测加入不同量0～6μL检测液体的电容量，0代表没加检测液体，如图6所示，加入的检测液体的量愈大，其电容量愈大，表示电容变化量与检测液体的量成正比。如图7所示，在不同量的检测液体0～6μL，0代表没加检测液体，可知电容量最大值都是在约2min测得，不会因检测液体增量而降低扩散速度影响所需反应时间，进而提高反应速度及稳定性。

由上可知，本发明使用多孔电极及无毒，环保，调节湿气的效果好，且能分解甲醛、总挥发性有机物(TOVC)等有害物质的多孔隙无机介电材料，可知本发明优化电容式感湿元件的结构及材料，不仅使得渗透性及吸水效能提高，也进而提高反应速度及稳定性。另外，还可应用于穿戴式装置，借由扩散面积与介电常数换算汗量，以了解人体排汗程度。除此之外，本发明更可以持续施加偏压产生热能干燥该感测层方式，将水份蒸散后，重复使用，成为具有回复性的电容式感湿元件。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包括于本发明的专利范围中。

Claims (12)

1.一种电容式感湿元件，其特征在于，包含：

一基板；

一第一电极，设置于该基板上；

一感测层，设置于该第一电极上，其中该感测层为一多孔隙介电材料，

且该感测层厚度介于50nm至5mm之间；以及

一第二电极，设置于该感测层上，其中该第二电极为一多孔电极。

2.如权利要求1所述的的电容式感湿元件，其特征在于，其中该第一电极与该第二电极的材料是选自由金、银、氧化铟锡及其组合所组成的群。

3.如权利要求2所述的电容式感湿元件，其特征在于，其中该第一电极与该第二电极的材料为金。

4.如权利要求1所述的电容式感湿元件，其特征在于，其中该多孔隙介电材料包括二氧化硅。

5.如权利要求4所述的电容式感湿元件，其特征在于，其中该多孔隙介电材料为硅藻土、旋涂式玻璃或中孔洞二氧化硅。

6.如权利要求1所述的电容式感湿元件，其特征在于，其中该多孔电极为指叉式电极、梳状电极或网状电极。

7.如权利要求1所述的电容式感湿元件，其特征在于，其中该基板的材料是选自由硅晶圆、玻璃、及塑胶所组成的群。

8.如权利要求1所述的电容式感湿元件，其特征在于，其中该基板的材料为聚对苯二甲酸乙二酯。

9.一种电容式感湿元件的使用方法，步骤包含：

提供权利要求1中的该电容式感湿元件；

提供一检测液体至该第二电极；

施加一第一偏压至该电容式感湿元件；

侦测该电容式感湿元件的一电容量；

利用该电容量计算该检测液体的体积；以及

施加一第二偏压至该电容式感湿元件以干燥该感测层。

10.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，其中该第一偏压的施加时间，为该检测液体被提供至该第二电极后2-5分钟。

11.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，其中该第一偏压与该第二偏压值为0.05V～0.1V之间。

12.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，其中该检测液体为水或汗液。