專利名稱：可變電容傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用基于電容的傳感器的有機(jī)蒸汽檢測(cè)以及此類傳感器的制造工藝。
技術(shù)背景
可變電容傳感器通常使用電介質(zhì)材料由平行板型電極進(jìn)行構(gòu)造。通常，一個(gè)電極 是導(dǎo)電的并且同時(shí)具有足夠多的孔，以便有機(jī)蒸汽可能到達(dá)微孔電介質(zhì)材料。然而，為了獲 得足夠的檢測(cè)信號(hào)，通常必要的是，使用具有必須提供的相對(duì)大面積的覆蓋區(qū)的傳感器；例 如，在印刷電路板上使用該傳感器。發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種制造可變電容傳感器的方法，該方法包括以下步 驟
a)提供陶瓷電容器，所述陶瓷電容器包括
第一導(dǎo)電電極，其包括電互連的第一導(dǎo)電片；
第二導(dǎo)電電極，其包括電互連的第二導(dǎo)電片，其中所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo) 電片至少部分地交錯(cuò)，以及其中所述第二導(dǎo)電電極與所述第一導(dǎo)電電極電絕緣；以及
陶瓷材料，其至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接 觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片；以及
b)使用微孔電介質(zhì)材料替換所述陶瓷材料的至少一部分，其中所述微孔電介質(zhì)材 料至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和 所述第二導(dǎo)電片。
在一些實(shí)施例中，步驟b)包括蝕刻掉所述陶瓷材料的至少一部分；以及使用所 述微孔電介質(zhì)材料來替換所述陶瓷材料通過蝕刻而移除的至少一部分。
在一些實(shí)施例中，使用所述微孔電介質(zhì)材料替換大體全部所述陶瓷材料。因此，在 一些實(shí)施例中，步驟b)包括蝕刻掉大體全部所述陶瓷材料；以及使用所述微孔電介質(zhì)材 料來替換通過蝕刻而移除的所述陶瓷材料。
在一些實(shí)施例中，所述微孔電介質(zhì)材料包括固有微孔聚合物(PM)。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種可變電容傳感器，所述可變電容傳感器包括
第一導(dǎo)電電極，其包括電互連的第一導(dǎo)電片；
第二導(dǎo)電電極，其包括電互連的第二導(dǎo)電片，其中所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo) 電片至少部分地交錯(cuò)，以及其中所述第二導(dǎo)電電極與所述第一導(dǎo)電電極電絕緣；以及
微孔電介質(zhì)材料，其至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間， 并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片。
在一些實(shí)施例中，所述微孔電介質(zhì)材料包括固有微孔聚合物。在一些實(shí)施例中，所 述可變電容傳感器還包括陶瓷材料，所述陶瓷材料至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所 述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片。在一些實(shí)施例中，所述可變電容傳感器還包括封裝層，所述封裝層覆蓋所述第一和第二導(dǎo)電電極的一部分。
有利地，根據(jù)本發(fā)明的可變電容傳感器可以將高靈敏度與小面積的覆蓋區(qū)結(jié)合； 例如，使它們適合于并入微型傳感裝置中。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法使得能夠在無需專用設(shè) 備的情況下，以相對(duì)低的成本制造具有高靈敏度的可變電容傳感器。
如本文所用
術(shù)語“微孔”是指材料具有大量?jī)?nèi)部互連的孔體積，并且平均孔尺寸(在由，例如， 吸附等溫線方法表征時(shí))小于約IOOnm ;以及
術(shù)語“導(dǎo)電的”是指電傳導(dǎo)的。
上述實(shí)施例能夠以其任何組合來實(shí)施，除非根據(jù)本發(fā)明的教示，清楚地表明此類 組合是錯(cuò)誤的。在考慮具體實(shí)施方式
以及所附權(quán)利要求書之后，將進(jìn)一步理解本發(fā)明的特 征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)用于制造可變電容傳感器的示例性工藝的工藝流程圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性可變電容傳感器的示意透視圖；以及
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性可變電容傳感器的示意透視圖。
雖然上文指明的附圖(可不按比例繪制)闡明了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，但也可以想 到其它的實(shí)施例，如在論述中指出。所有附圖使用的類似參考標(biāo)號(hào)表示類似部件。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參見圖1，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性工藝中，蝕刻陶瓷電容器100以移除分 別隔開第一和第二導(dǎo)電電極104、106的陶瓷材料102的至少一部分，從而提供已蝕刻的陶 瓷電容器120。第一和第二導(dǎo)電電極104、106分別包括第一和第二導(dǎo)電片108、110。微孔 電介質(zhì)材料112用于填充在最初由已蝕刻的陶瓷材料占據(jù)的空間的至少部分中，從而形成 可變電容傳感器130。
大多數(shù)制造商均可生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的陶瓷電容器。他們各自提供的產(chǎn)品具有 多種形狀和大小，并且在批量購(gòu)買時(shí)，每個(gè)電容器的價(jià)格通常較低。示例性商業(yè)供應(yīng)商包 括美國(guó)南卡羅來納州辛普森維爾的開美特公司(Kemet Corp.);美國(guó)南卡羅來納州方廷因 (Fountain Inn)的 AVX 公司(AVX Corporation);德國(guó)慕尼黑的 EPCOS 公司(EPCOS Inc.)； 美國(guó)新澤西州錫考克斯(Secaucus)的松下工業(yè)公司(Panasonic Industrial Company);以 及美國(guó)弗吉尼亞州林奇伯格的ITW帕克頓公司(ITW Paktron)0陶瓷電容器可以具有或不 具有外部保護(hù)覆蓋物，例如，封裝層。
第一和第二導(dǎo)電電極可以包括任何合適的導(dǎo)電材料；通常，可以使用導(dǎo)電金屬，但 也可以使用導(dǎo)電材料?？梢允褂貌煌牟牧?導(dǎo)電和/或不導(dǎo)電材料)的組合作為不同的層 或作為混合物，只要具有足夠的整體導(dǎo)電性(例如，電極材料具有小于約10_2歐姆/米的恒 定電阻率)?？梢杂糜谥圃斓谝粚?dǎo)電電極和/或第二導(dǎo)電電極的導(dǎo)電材料的實(shí)例包括金屬、 合金以及上述項(xiàng)的組合。實(shí)例包括銅、鎳、錫、鉭、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、鈦以及鉻。在 一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)導(dǎo)電電極包括相同材料；在一個(gè)替代實(shí)施例中，第一和第二導(dǎo)電電極包 括不同材料。
在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一和第二導(dǎo)電電極在獲得時(shí)已包括在陶瓷電容 器內(nèi)。在根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，導(dǎo)電電極通過具有交替循環(huán)的重復(fù)工藝進(jìn)行制造。 在一個(gè)示例性此類循環(huán)中，金屬層(對(duì)應(yīng)于第一導(dǎo)電電極的導(dǎo)電片)沉積在PM的層上，隨后 另一個(gè)PIM層沉積在該金屬層上。第二金屬層(對(duì)應(yīng)于第二導(dǎo)電電極的導(dǎo)電片)隨后沉積 在PIM層上,與第一金屬層偏離。另一個(gè)PIM層接著沉積在第二金屬層上,并且全部工藝根 據(jù)需要重復(fù)數(shù)次。PM層可以通過任何合適的印刷方法沉積，所述印刷方法例如，絲網(wǎng)印刷 或凹版印刷。金屬層可以通過印刷進(jìn)行沉積；例如，使用導(dǎo)電油墨或通過蒸氣涂布技術(shù)進(jìn)行 沉積。該工藝根據(jù)需要重復(fù)數(shù)次。每個(gè)導(dǎo)電電極的導(dǎo)電片連接在一起以形成完整的導(dǎo)電電 極。導(dǎo)電片的連接可以在導(dǎo)電片的沉積期間或者通過將導(dǎo)電材料涂覆在導(dǎo)電片的暴露邊緣 上來實(shí)現(xiàn)。在一些情況中，加熱可以使導(dǎo)電片有效地熔合到金屬邊緣帶。
可以使用任何陶瓷材料；通常，使用介電陶瓷材料。實(shí)例包括鈦酸鹽、鉛酸鹽、其他 金屬氧化物，以及上述項(xiàng)的組合。通用成分包括二氧化鈦、鈦酸鋇以及鈦酸鍶。再次參見圖1，陶瓷材料102至少部分地設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電電極104、106的相應(yīng)導(dǎo)電片108、110之 間，并且接觸導(dǎo)電片108、110。
根據(jù)本發(fā)明的方法，使用微孔電介質(zhì)材料替換所述陶瓷材料的至少一部分，以使 陶瓷材料和微孔電介質(zhì)材料均至少部分地設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電電極之間，并且接觸第一 和第二導(dǎo)電電極。陶瓷材料的移除可以通過，例如，機(jī)械、激光和/或化學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在 一個(gè)實(shí)施例中，陶瓷材料使用化學(xué)蝕刻劑進(jìn)行蝕刻，相對(duì)于導(dǎo)電電極材料，這種化學(xué)蝕刻劑 會(huì)優(yōu)先蝕刻陶瓷?？捎梦g刻劑包括堿金屬氫氧化物水溶液；可選地，其與有機(jī)溶劑組合。一 種示例性蝕刻劑是含有5摩爾氫氧化鈉的水/乙醇(比率為2:1)。
通常，蝕刻工藝所需的時(shí)間為數(shù)分鐘到數(shù)天，具體取決于所用陶瓷電容器的構(gòu)造。 一般而言，蝕刻會(huì)在陶瓷材料的所有暴露表面上進(jìn)行。因此，在陶瓷材料的一部分被移除的 情況下，陶瓷材料仍將存在于已蝕刻的電容器內(nèi)部。如果需要，大體全部或全部陶瓷材料均 可以通過蝕刻而移除。
根據(jù)本發(fā)明的方法，使用微孔電介質(zhì)材料替換陶瓷材料通過蝕刻而移除的至少一 部分。微孔電介質(zhì)材料的功能是將第一和第二導(dǎo)電電極隔開，并且針對(duì)要感測(cè)的任何被分 析物(例如，揮發(fā)性有機(jī)化合物)提供接收基底。通常，有利的是，當(dāng)傳感器可能在環(huán)境條件 下使用時(shí)，選擇具有相對(duì)低的水蒸氣親和力的微孔電介質(zhì)材料。
微孔電介質(zhì)材料通?？梢允侨魏挝⒖纂娊橘|(zhì)材料；盡管對(duì)于一些應(yīng)用而言，例如 感測(cè)特定揮發(fā)性有機(jī)化合物，對(duì)微孔電介質(zhì)材料進(jìn)行選擇可以增強(qiáng)或減弱蒸汽吸附性和/ 或吸收性，以及傳感器靈敏度。例如，微孔電介質(zhì)材料可以是無機(jī)的或有機(jī)的，可以是無機(jī) 和有機(jī)化合物的組合。
通常，微孔電介質(zhì)材料將具有大體延伸穿過微孔電介質(zhì)材料的連通孔的網(wǎng)絡(luò)，但 這并不是必需的。這種孔的布置提供了用于吸附和/或吸收的較大表面面積，并且規(guī)定了 被分析物(如果存在)的分子將能夠滲透材料的內(nèi)部孔并且駐留在這些孔中。內(nèi)部孔中的這 種被分析物的存在可以改變材料的介電性質(zhì)，使得介電常數(shù)(或任何其它合適的電氣特性) 的變化可被觀測(cè)。
在一些實(shí)施例中，微孔電介質(zhì)材料具有至少約10%、至少約20%或至少約30%的孔 隙度(在由，例如，吸附等溫線技術(shù)表征時(shí)，所述技術(shù)例如，使用以商標(biāo)名Autosorb購(gòu)自美國(guó)佛羅里達(dá)州博因頓沙灘(Boynton Beach)康塔儀器公司(Quantachrome Instruments)的那些儀器)。這種孔隙度可提供對(duì)低含量有機(jī)化學(xué)被分析物的良好響應(yīng)。然而，材料不應(yīng)具有此類較高孔體積，這種較高孔體積使得第一導(dǎo)電電極與第二導(dǎo)電電極之間的電氣短路或電弧放電難以避免。因此，在多個(gè)實(shí)施例中，材料具有至多約90%、至多約60%或至多約40% 的孔隙度。
微孔電介質(zhì)材料可以，例如，具有小于約50納米(nm)、小于約20nm或小于約IOnm 的平均孔尺寸。類似地，微孔電介質(zhì)材料可以，例如，具有大于約O. 3nm、大于約O. 5nm或大于約1. Onm的平均孔尺寸。
微孔電介質(zhì)材料可以是，例如，疏水的、親水的或介于上述兩者之間的。如果微孔電介質(zhì)材料為疏水材料，那么該材料吸收液態(tài)水的程度不會(huì)使其顯著膨脹或者說不會(huì)在物理特性方面呈現(xiàn)出顯著改變。這種疏水特性對(duì)于提供對(duì)水的存在相對(duì)不敏感的有機(jī)被分析物感測(cè)元件是有用的。然而，微孔電介質(zhì)材料可以包括相對(duì)極性的部分；例如，出于特定目的。
微孔電介質(zhì)材料通常包括連續(xù)基質(zhì)，但根據(jù)需要，該基質(zhì)也可以是不連續(xù)的。這種基質(zhì)被定義為某種組件(例如，涂層、層等)，在該組件中，材料的固體部分是連續(xù)互連的(而不論是否存在上述孔隙度，或是否存在下文將討論的任選添加劑)。也就是說，連續(xù)基質(zhì)與包括粒子聚集體(例如，沸石、活性炭、碳納米管等)的組件是區(qū)別明顯的。例如，從溶液沉積的層或涂層通常會(huì)包括連續(xù)基質(zhì)(即使該涂層本身以圖案化方式涂覆和/或包括顆粒添加劑)。通過粉末噴涂、涂布并干燥分散體(例如，膠乳)或者通過涂布并干燥溶膠凝膠混合物而沉積的粒子集合可以不包括申請(qǐng)人定義的連續(xù)網(wǎng)。然而，如果這種膠乳、溶膠凝膠等的層可被壓以使單個(gè)粒子不再可識(shí)別，并且也不可能識(shí)別從不同粒子獲得的組件的區(qū)域，那么這種層就可以符合申請(qǐng)人對(duì)連續(xù)基質(zhì)的定義。
合適的微孔電介質(zhì)材料的實(shí)例包括固有微孔聚合物(PIM)，但其他微孔電介質(zhì)材料也可使用。
PM可以通過使用某些單體的任何組合來配制，這些單體可產(chǎn)生剛性非常強(qiáng)的聚合物，在該聚合物內(nèi)，存在足夠的結(jié)構(gòu)特征以引起扭曲結(jié)構(gòu)。在多種實(shí)施例中，PIM可包括由大體平整的物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述大體平整的物種由剛性連接基連接，所述剛性連接基具有扭曲點(diǎn)，從而使得由該連接基連接的兩個(gè)相鄰的平整的物種保持在非共面取向中。
許多PIM在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且包括,例如,“Polymers of Intrinsic Micr oporosity (PIMs) :Robust, Solution-Processable, Organic Microporous Materials，，(固有微孔聚合物(PM):穩(wěn)定、可溶液處理的有機(jī)微孔材料)(Budd等人，《化學(xué)通訊》，2004年， 第 230-231 頁)中公開的那些；^ Po lymer s of Intrinsic Microporosity (PIMs) ”(固有微孔聚合物(PM)) (McKeown等人，《歐洲化學(xué)》，2005年11月，第九期，第2610-2620頁)中披露的那些；“Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs) :High Free Volume Polymers for Membrane Applications”(固有微孔聚合物(PIM):用于薄膜應(yīng)用的高自由體積聚合物) (Budd等人,《大分子會(huì)議》(Macromo1. Symp. ), 2006年,第245到246卷,第403-405頁)中披露的那些；“Synthesis, Characterization, and Gas Permeation Properties of a Novel Group of Polymers with Intrinsic Microporosity:PIM-Polyimides，，(固有微孔 聚合物新型基團(tuán)的合成、特征及氣體滲透特性PIM-聚酸亞胺)(Ghanem等人,《大分子》,2009年， 第42期，第7881-7888頁)中披露的那些；McKeown等人的美國(guó)專利公開第2006/0246273 號(hào)中披露的那些；以及McKeown等人已公開的PCT申請(qǐng)第W02005/012397A2號(hào)中披露的那些。
許多PM均可溶于通用有機(jī)溶劑中，并且因而適合常規(guī)的沉積工藝(例如，涂布)。 在某些實(shí)施例中，PIM材料沉積(例如，涂布)或以其他方式形成以包括對(duì)被分析物進(jìn)行響應(yīng) 的介質(zhì)層之后，PM可以使用合適的交聯(lián)劑(例如，雙(苯甲腈)二氯化鈀(II))進(jìn)行交聯(lián)。 該工藝可以使得微孔電介質(zhì)材料不溶于有機(jī)溶劑，及/或可以提高某些應(yīng)用中期望的某些 物理特性,例如,耐久性、耐磨性等。
PM可以與其他材料混合。例如，PM可以與本身不是對(duì)被分析物進(jìn)行響應(yīng)的電介 質(zhì)材料的材料進(jìn)行混合。盡管不會(huì)增強(qiáng)被分析物響應(yīng)度，但這種材料可以有其他用途。例 如，這種材料可以允許形成具有優(yōu)異的機(jī)械性能或類似性能的含PIM層。PIM可以和其他材 料一起溶解于通用溶劑中以形成均勻溶液，該溶液可以經(jīng)過澆注以形成同時(shí)包括PM和其 他聚合物的、對(duì)被分析物進(jìn)行響應(yīng)的電介質(zhì)共混物層。PIM也可以與對(duì)被分析物進(jìn)行響應(yīng)的 電介質(zhì)材料(例如，沸石、活性炭、硅膠、超高交聯(lián)聚合物網(wǎng)等等)混合。這些材料可以包括懸 浮在含有PIM材料的溶液中的不溶解材料。涂布和干燥此類溶液或懸浮液可以得到復(fù)合微 孔電介質(zhì)材料。
其他可用微孔電介質(zhì)材料的實(shí)例包括等離子沉積的微孔電介質(zhì)層；例如，如PCT 專利公開第W02009/046011A2 (David等人)中所述。
在不希望被理論所束縛的情況下，根據(jù)本發(fā)明的可變電容傳感器的運(yùn)行方式是 將要檢測(cè)的物質(zhì)吸附和/吸收到微孔電介質(zhì)材料中，從而改變其介電常數(shù)以及可變電容傳 感器的電容。
在一些實(shí)施例中，一些陶瓷材料在移除/蝕刻步驟之后會(huì)留在導(dǎo)電電極之間。在 這些情況下，將產(chǎn)生可變電容傳感器，其中陶瓷材料和微孔電介質(zhì)材料均設(shè)置在導(dǎo)電電極 之間；通常，設(shè)置成并排布置。
現(xiàn)在參見圖2，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性可變電容傳感器230可以通過替換陶瓷 電容器中的陶瓷的一部分來制備。因此，可變電容傳感器230包括第一和第二導(dǎo)電電極 204、206，這些電極分別包括第一和第二導(dǎo)電片208、210。陶瓷材料202和微孔電介質(zhì)材料 212設(shè)置在相應(yīng)第一和第二導(dǎo)電電極之間，并且接觸第一和第二導(dǎo)電電極。
現(xiàn)在參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性可變電容傳感器330可以通過完全替換 陶瓷電容器中的陶瓷來制備。因此，可變電容傳感器330包括第一和第二導(dǎo)電電極304、 306,這些電極分別包括第一和第二導(dǎo)電片308、310。微孔電介質(zhì)材料312設(shè)置在相應(yīng)第一 和第二導(dǎo)電電極之間，并且接觸第一和第二導(dǎo)電電極。任選封裝層314覆蓋第一和第二導(dǎo) 電電極304、306的一部分。
任選地，根據(jù)本發(fā)明的可變電容傳感器可以具有附連到其上的引線，或者這些傳 感器也可以在沒有引線的情況下使用；例如，通過將這些傳感器夾固在印刷電路板的接觸 點(diǎn)之間來使用這些傳感器。類似地，根據(jù)本發(fā)明的可變電容傳感器可以具有位于其表面的 至少一部分上方的保護(hù)覆蓋材料；例如，用以保護(hù)微孔電介質(zhì)材料免受污染或損壞。然而， 覆蓋材料的添加必須仍允許預(yù)期的被分析物進(jìn)入微孔電介質(zhì)材料，以便可變電容傳感器能夠正常運(yùn)行。覆蓋材料的實(shí)例包括非織造和多孔薄膜。
根據(jù)本發(fā)明制備的可變電容傳感器適合用于電子感測(cè)裝置。一般而言，這涉及將可變電容傳感器電連接到監(jiān)控電路，從而可以確定可變電容傳感器的電容。
通過以下非限制性實(shí)例，進(jìn)一步說明了本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，但這些實(shí)例中所述的具體材料及其用量以及其他條件和細(xì)節(jié)均不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行不當(dāng)限定。
實(shí)魁
除非另外指明，否則在實(shí)例和說明書的其余部分中的所有份數(shù)、百分?jǐn)?shù)、比率等均按重量計(jì)。
PIMl 的制各
大體根據(jù)Budd等人在《先進(jìn)材料》(2004年，第16卷，第5期，第456-459頁)中報(bào)告的過程，PM材料(PMl)由單體5，5’，6，6’-四羥基-3，3，3’，3’_四甲基-1，1-螺雙茚和四氟對(duì)苯二腈制備。將100. OOg的5，5’，6，6’ -四羥基-3，3，3’，3’ -四甲基-1，I’ -螺雙茚與59. 219g的四氟對(duì)苯二腈、243. 6g的碳酸鉀以及2543. 6g的N，N- 二甲基甲酰胺混合,并將混合物在68°C下反應(yīng)72小時(shí)。將聚合混合物傾注到水中，并且通過真空過濾離析沉淀物。所得聚合物在四氫呋喃中兩次溶解，通過乙醇進(jìn)行沉淀，然后在室溫下進(jìn)行空氣干燥。得到數(shù)均分子量約為40，800的黃色固體產(chǎn)物，該分子量通過使用光散射檢測(cè)的凝膠滲透色譜法確定。
實(shí)例I
a)使用低速金剛石鋸沿大體垂直于線材引線的方向在線材引線附近將商購(gòu)的 22-nF(22毫微法拉)陶瓷電容器(零件編號(hào)C340C223J2G5CA，來自美國(guó)南卡羅來納州格林維爾的開美特電子公司(Kemet Electronics Corporation))切割成兩半(從而得到O. 488nF 的電容)。電容器具有24個(gè)節(jié)距為35微米的的交叉的金屬指狀物，并且這些指狀物由陶瓷層隔開。連接有線材引線的部分用于以下過程。以控制步驟顯示上述制備的對(duì)比性電容傳感器是可操作的，在將傳感器置于測(cè)試室內(nèi)并且暴露于多種水平的相對(duì)濕度下之前，以 150°C烘烤傳感器一小時(shí)。傳感器表現(xiàn)出對(duì)濕度的高響應(yīng)度，從而在80%的相對(duì)濕度下得到O.25的AC/C。(即，電容從初始值發(fā)生的變化除以初始值)值。在分開的實(shí)驗(yàn)中，傳感器在暴露于引入測(cè)試室的丙酮蒸汽下時(shí)大體不作出響應(yīng)(即，AC/C?；緸镺)。傳感器隨后在 150°C下烘烤I小時(shí)，然后置于測(cè)試室內(nèi)。暴露于濃度高達(dá)至至少4000pmm的丙酮蒸汽下電容沒有任何變化((即，Λ C/C?；緸镺 )。
b)將在a)中制造的電容傳感器在含5M氫氧化鈉的水/乙醇(比率為2:1)中浸泡 6天。浸泡之后，在蒸餾水中仔細(xì)沖洗傳感器，并且對(duì)其進(jìn)行干燥以去除任何殘留物。據(jù)觀察，少量陶瓷被移除，大部分陶瓷仍保留。為了確定蝕刻影響陶瓷傳感器的程度，對(duì)浸泡在氫氧化鈉溶 液之前和之后的基線電容器進(jìn)行比較。電容從488變化成367pF。為了表明會(huì)對(duì)傳感器造成損壞的不僅是這種變化，還會(huì)是陶瓷材料的系統(tǒng)性移除，因此，使用傳感器進(jìn)行另一濕度測(cè)試。在150°C下置于烘箱中一小時(shí)之后，傳感器被置于測(cè)試室內(nèi)，并且暴露于多種百分?jǐn)?shù)水平的相對(duì)濕度下。已蝕刻的傳感器表現(xiàn)出對(duì)濕度的高響應(yīng)度，從而在80%的相對(duì)濕度下得到6. 6的AC/C。(即，電容從初始值發(fā)生的變化除以初始值)值。清楚地是， 與未蝕刻的傳感器相比，已蝕刻的傳感器對(duì)濕度更為靈敏。暴露于濃度高達(dá)至至少4000pmm 的丙酮蒸汽下電容沒有任何變化((即，AC/C?；緸镺)。
c)4%的PMl溶液該溶液在氯苯中制備，方法是在小瓶中混合組分，并將其置于煉膠機(jī)上一整夜，從而完全溶解材料，隨后通過一個(gè)微米孔尺寸過濾器進(jìn)行過濾。使用小號(hào)畫筆將PMl溶液直接涂覆b)中制備的已蝕刻的電容傳感器的已蝕刻表面上，隨后在 100°C的烘箱中干燥一小時(shí)。該過程重復(fù)兩次。測(cè)試所得可變電容傳感器對(duì)丙酮蒸汽的響應(yīng)度。在150°C下烘烤一小時(shí)之后，傳感器被置于測(cè)試室內(nèi)并且暴露于丙酮蒸汽下。在濃度為4000ppm的丙酮蒸汽下，電容傳感器呈現(xiàn)出O. 0012的Λ C/C。，其中電容中的可檢測(cè)差異在50ppm的丙酮含量或更少丙酮含量下觀察到。清楚的是，通過使用吸收性微孔材料(例如，在此實(shí)例中為PM)替換陶瓷材料的僅一部分，我們能夠增加可變電容傳感器對(duì)丙酮的靈敏度。
本文所提及的所有專利和出版物據(jù)此全文以引用方式并入本文。除非另外指明， 否則本文給出的所有實(shí)例均被認(rèn)為是非限制性的。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和更改，并且應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)不當(dāng)?shù)厥芟?于本文所述的示例性實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種可變電容傳感器，所述可變電容傳感器包括第一導(dǎo)電電極，包括電互連的第一導(dǎo)電片；第二導(dǎo)電電極，包括電互連的第二導(dǎo)電片，其中所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片至少部分地交錯(cuò)，以及其中所述第二導(dǎo)電電極與所述第一導(dǎo)電電極電絕緣；以及微孔電介質(zhì)材料，至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變電容傳感器，其中所述微孔電介質(zhì)材料包括固有微孔聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可變電容傳感器，還包括陶瓷材料，所述陶瓷材料至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的可變電容傳感器，還包括封裝層，所述封裝層覆蓋所述第一和第二導(dǎo)電電極的一部分。
5.一種制造可變電容傳感器的方法，所述方法包括以下步驟a)提供陶瓷電容器，所述陶瓷電容器包括第一導(dǎo)電電極，包括電互連的第一導(dǎo)電片；第二導(dǎo)電電極，包括電互連的第二導(dǎo)電片，其中所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片至少部分地交錯(cuò)，以及其中所述第二導(dǎo)電電極與所述第一導(dǎo)電電極電絕緣；以及陶瓷材料，至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片；以及b)使用微孔電介質(zhì)材料替換所述陶瓷材料的至少一部分，其中所述微孔電介質(zhì)材料至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中步驟b)包括蝕刻掉所述陶瓷材料的至少一部分；以及使用所述微孔電介質(zhì)材料來替換所述陶瓷材料通過蝕刻而移除的至少一部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中使用所述微孔電介質(zhì)材料替換大體全部所述陶瓷材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中步驟b)包括蝕刻掉大體全部所述陶瓷材料；以及使用所述微孔電介質(zhì)材料來替換通過蝕刻而移除的所述陶瓷材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述微孔電介質(zhì)材料包括固有微孔聚合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可變電容傳感器，所述可變電容傳感器包括第一導(dǎo)電電極，其包括電互連的第一導(dǎo)電片；第二導(dǎo)電電極，其包括電互連的第二導(dǎo)電片，其中所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片至少部分地交錯(cuò)，以及其中所述第二導(dǎo)電電極與所述第一導(dǎo)電電極電絕緣；以及微孔電介質(zhì)材料，其至少部分地設(shè)置在所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間，并且接觸所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片。本發(fā)明還公開了一種通過使用微孔材料替換陶瓷電容器中的陶瓷來制造可變電容傳感器的方法。
文檔編號(hào)G01N27/22GK103069269SQ201180039444
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月15日
發(fā)明者斯特凡·H·格里斯卡, 邁克爾·C·帕拉佐托 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司