高分子電容濕度傳感器耐極限環(huán)境應(yīng)力研究

劉智敏 徐曉龍 王洪濤 楊丹

中國(guó)電子科技集團(tuán)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(yīng)速度、濕滯等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外研制、生產(chǎn)、應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)濕度傳感器。廣泛應(yīng)用于氣象、航空航天、船舶艦船、電力等領(lǐng)域[1]，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的增加，對(duì)傳感器適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的能力提出了更高的要求。航天某型號(hào)產(chǎn)品要求濕度傳感器能夠滿(mǎn)足多次、較長(zhǎng)時(shí)間低氣壓極限環(huán)境的要求，環(huán)境中的濕度接近0% RH，為極低濕環(huán)境。同時(shí)，傳感器還需滿(mǎn)足高溫低氣壓和高濕環(huán)境（95% RH）下長(zhǎng)期工作的要求。因此，展開(kāi)對(duì)高分子電容濕度傳感器失效機(jī)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(wèn)題。目前，針對(duì)濕度傳感器可靠性方面開(kāi)展的研究多數(shù)針對(duì)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(shù)學(xué)模型[4]，對(duì)傳感器使用壽命進(jìn)行研究或通過(guò)對(duì)材料本身性質(zhì)進(jìn)行研究，分析傳感器工作機(jī)理，針對(duì)特定工程應(yīng)用背景下的極限環(huán)境傳感器的可靠性及長(zhǎng)期壽命方面以及極限環(huán)境下傳感器工作機(jī)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(huán)境應(yīng)力，通過(guò)傳感器耐極限應(yīng)力試驗(yàn)研究，探索高分子電容濕度傳感器耐各種極限環(huán)境的能力，以期為傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 傳感器耐極限應(yīng)力試驗(yàn)

1.1 應(yīng)力分析

高分子電容濕度傳感器的感濕機(jī)理是基于對(duì)濕度敏感的高分子聚合物含有吸水基團(tuán)，吸附環(huán)境中的氣態(tài)水分子，使感濕材料的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。高分子濕敏電容的通常結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從傳感器結(jié)構(gòu)、材料、工作原理出發(fā)，依據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境條件及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的失效情況及分析結(jié)果，結(jié)合傳感器極限環(huán)境應(yīng)力分析，初步總結(jié)造成傳感器失效的極限環(huán)境應(yīng)力主要有3種：低氣壓低濕、高濕、高溫。以濕度傳感器實(shí)際應(yīng)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(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，開(kāi)展極限環(huán)境試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)濕度傳感器耐極限環(huán)境試驗(yàn)剖面[5-6]。高分子電容濕度傳感器極限環(huán)境試驗(yàn)分為極限確認(rèn)試驗(yàn)和綜合應(yīng)力試驗(yàn)兩個(gè)階段。極限確認(rèn)試驗(yàn)是以步進(jìn)方式施加嚴(yán)酷的試驗(yàn)應(yīng)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(yàn)。綜合應(yīng)力試驗(yàn)以考核受試產(chǎn)品耐綜合極限環(huán)境能力，暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝缺陷為目的，包括高溫低氣壓綜合應(yīng)力試驗(yàn)和高溫高濕綜合應(yīng)力試驗(yàn)。

高分子電容濕度傳感器極限環(huán)境試驗(yàn)流程如圖2所示。

1.3 失效判據(jù)

（1）傳感器的D值退化到37；

（2）傳感器容值的漂移超過(guò)10 pF；

（3）傳感器出現(xiàn)機(jī)械損傷、表面污染、破裂。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

按照1.2試驗(yàn)剖面進(jìn)行高溫步進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)在恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行，條件為環(huán)境濕度50% RH，每個(gè)點(diǎn)恒溫24 h，樣本量為每個(gè)條件5只。試驗(yàn)中的溫度應(yīng)力分別為70 ℃、85 ℃、95 ℃、105 ℃、110 ℃、115 ℃、120 ℃、125 ℃、130 ℃、135 ℃、140 ℃、145 ℃、150 ℃應(yīng)力水平的試驗(yàn)，在溫度應(yīng)力超過(guò)100 ℃后恒溫恒濕箱內(nèi)水蒸氣全部蒸發(fā)，恒溫恒濕箱內(nèi)濕度接近0% RH。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1可知，以D值為主要判斷標(biāo)準(zhǔn)，135 ℃水平及以前的溫度應(yīng)力下，試樣在高溫條件以及恢復(fù)室溫后均可正常工作。在高溫應(yīng)力下，140 ℃點(diǎn)出現(xiàn)2個(gè)樣品失效，145 ℃點(diǎn)出現(xiàn)4個(gè)樣品失效，150 ℃點(diǎn)出現(xiàn)5個(gè)樣品失效，但恢復(fù)室溫后樣品性能值均恢復(fù)正常水平。

2.2 低氣壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

低氣壓試驗(yàn)在室溫（25 ℃）環(huán)境下，樣本量為每個(gè)條件點(diǎn)5只。分別測(cè)量了1×10-4Pa、1×10-5Pa兩種低氣壓應(yīng)力水平下試驗(yàn)前后樣品的性能參數(shù)（容值、D值），并測(cè)量了1×10-5Pa應(yīng)力水平下試驗(yàn)前后樣品的線(xiàn)性與靈敏度。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，低氣壓數(shù)據(jù)每個(gè)樣品只有試驗(yàn)前后的性能參數(shù)（D值、容值以及10-5Pa試驗(yàn)前后的線(xiàn)性度和靈敏度）對(duì)比，所有樣品在試驗(yàn)應(yīng)力下以及恢復(fù)正常應(yīng)力條件后參數(shù)均處于正常水平，說(shuō)明單純?cè)诘蜌鈮簯?yīng)力作用下傳感器很難失效。

2.3 高溫高濕試驗(yàn)結(jié)果分析

高溫高濕環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為85 ℃、95 ℃，試驗(yàn)濕度應(yīng)力為75% RH、85% RH、95% RH，兩種應(yīng)力兩兩組合共6個(gè)試驗(yàn)條件點(diǎn)，每個(gè)條件點(diǎn)保持24小時(shí)，樣本量為每個(gè)條件點(diǎn)5只。分別測(cè)量試驗(yàn)應(yīng)力施加前、試驗(yàn)條件下及恢復(fù)室溫后樣品的性能參數(shù)（容值、D值）。試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。其中，橫軸為測(cè)量次數(shù)，其中第1、3、5次為試驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)，2、4次為冷卻至室溫后測(cè)得的數(shù)據(jù)。

由圖6可知，在所有應(yīng)力點(diǎn)，高溫高濕應(yīng)力下每組樣品均出現(xiàn)了失效，恢復(fù)室溫后，大多數(shù)樣品的性能值都恢復(fù)了正常。但85 ℃，95% RH以及95 ℃，95% RH兩應(yīng)力點(diǎn)處仍有樣品參數(shù)值未恢復(fù)正常水平，發(fā)生了硬失效，說(shuō)明在高溫高濕應(yīng)力作用下，85 ℃，95% RH以及95 ℃，95%RH兩應(yīng)力水平已超過(guò)了產(chǎn)品的極限應(yīng)力。

2.4 高溫低氣壓試驗(yàn)結(jié)果分析

高溫低氣壓環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為85 ℃、105 ℃、115 ℃，環(huán)境壓力為1×10-4Pa、1×10-5Pa。每個(gè)條件點(diǎn)保持10小時(shí)，樣本量為每個(gè)條件點(diǎn)5只。分別在兩種壓力水平下進(jìn)行了3種溫度水平的步進(jìn)試驗(yàn)，并分別測(cè)量每組試驗(yàn)結(jié)束恢復(fù)室溫后樣品的性能參數(shù)（容值、D值），試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，環(huán)境壓力為1×10-4Pa，環(huán)境溫度為85～115 ℃時(shí)，試驗(yàn)前后濕敏電容容值、D值均無(wú)明顯變化；環(huán)境壓力為1×10-5Pa，環(huán)境溫度為105 ℃時(shí)，試驗(yàn)后有2只濕敏電容容值有明顯降低；環(huán)境溫度為115 ℃時(shí)，5只濕敏電容容值全部出現(xiàn)失效。經(jīng)測(cè)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(fā)生深度聚合脫水反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品濕敏電容容值下降，D值變大。針對(duì)此問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)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(fā)生深度脫水。

3 結(jié)論

本文根據(jù)高分子電容濕度傳感器原理及實(shí)際應(yīng)用工況，選取低氣壓低濕、高濕、高溫作為傳感器極限工作應(yīng)力。根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，進(jìn)行了極限確認(rèn)試驗(yàn)和綜合應(yīng)力試驗(yàn)。結(jié)果表明，單應(yīng)力條件下，135 ℃為其工作的高溫應(yīng)力極限，1×10-5Pa為其低氣壓應(yīng)力極限。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免傳感器長(zhǎng)期在135 ℃高溫、1×10-5Pa低氣壓條件下工作。