电容式湿度传感器温-湿-盐雾耦合环境损伤效应与机理研究

李晗，魏小琴，邓家卫，滕俊鹏，赵阳，赵方超，刘世乡，周雪鹏，刘伟

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.中国兵器装备集团 弹药贮存环境效应重点实验室，重庆 400039；3.漠河大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，黑龙江 漠河 165301；4.陆军装备部驻重庆地区军事代表室，重庆 400042）

传感器技术是现代电子信息技术三大核心技术之一，已广泛应用在航空、航天、船舶等装备上，起视觉、触觉、嗅觉等关键作用[1-2]。湿度传感器作为最常用的一种传感器，广泛应用于部队危险品库房环境、装备内部微环境、气象站环境因素监测等行业中[3-8]。其中，电容式传感器由于具有灵敏度高、线性度好、响应时间短等优点而被广泛应用[9-15]。

目前，国内外对湿度传感器的环境适应性、性能退化和失效机理方面的研究报道较少[16-17]。张广学等[16]研究了湿敏元件在热循环（-20～60 ℃）和真空热循环（-20～60 ℃/压力≤100 Pa）试验后样品的失效机理，得出主要是由于湿敏材料上杂质的引入引起失效。行业对电容式湿度传感器相关研究报道的重点在湿度敏感材料和电路设计研究，如庄庄[18]通过以磺化聚醚醚酮类材料作为湿敏材料，通过掺杂CaCl2可以提高湿度传感器的灵敏度和降低湿度传感器的湿滞。黄宜明[19]以常规聚酰亚胺为感湿材料，通过纳米二氧化钛的掺杂，设计出的电容式湿度传感器不仅灵敏度高、湿滞低，还可降低输出误差。郑昊[20]利用γ 相Al2O3纳米粉体制备出Al2O3感湿材料，在通过H2O2亲水性处理后，制得的湿度传感器具有响应区间广、低湿环境下敏感性高、稳定性好等优点。郑丽等[21]通过对湿敏材料的选型、工艺参数和结构设计等方面的优化，设计出的湿度传感器具有湿滞小的优异特性。还有很多研究者[22-24]通过其他手段来提升湿度传感器的性能。

本文利用三因素循环（85 ℃+85%RH→40 ℃+0.05%NaCl 中性盐雾→35 ℃+50%RH 干燥）环境下的加速老化试验，分析响应时间和测量精度退化规律，研究温-湿-盐雾对电容式湿度传感器的环境损伤机制，揭示湿度传感器在温-湿-盐雾环境下失效机制，为提升湿度传感器环境适应性提供支撑。

1 试验

试验样品为电容式湿度传感器，量程为 10%～90%，在0～50 ℃范围内的测量精度±3%，响应时间＜45 s。采用自研的大气腐蚀环境试验箱（专利号：ZL201911366403.7[25]），开展三因素循环加速试验：湿热（85 ℃+85%RH，8 h）→中性盐雾（40 ℃+0.05%NaCl，8 h）→干燥（35 ℃+50%RH，8 h）→…，单个循环时长为24 h。

1）响应时间与测量精度测试。按照湿度传感器技术文件，采用湿度发生器、精密露点仪设备，在湿度传感器全量程范围内选择均匀分布的5 个测试点（10%±2%、30%±2%、50%±2%、70%±2%、90%±2%）。在各湿度点平衡40～60 min 后，测试并记录传感器的电压信号输出值，然后经过数据处理，得到响应时间和测量精度。

2）外观检测。采用基恩士VHX-700 型立体显微镜检查外表面腐蚀形貌，放大倍率为30～200 倍。

3）微观分析。采用Nordson Dage XD 7500 型X射线透视仪分析基底的破损情况。采用Thermo Scientific Apreo 2S 型冷场发射扫描电子显微镜观察湿敏电容的微观形貌，放大倍率为400～2 000 倍。采用Oxford UtimMax40 型能谱仪分析湿敏电容的成分，加速电压为20 kV。

4）电性能测试。采用HIOKI IM3536 型LCR 测试仪检测湿敏电容的电性能，测试电压为3 V，频率为1 kHz。

2 结果与讨论

2.1 样品性能退化规律

根据不同标准湿度环境下的输出电压，通过转换公式，计算响应时间和测量精度，结果见表1。由表1 可知，电容式湿度传感器在三因素环境下进行加速老化7 d，在10%、30%和50%标准湿度环境下，电压信号输出值正常。当标准湿度环境超过50%时，整个电路中电压信号无输出。当老化14 d 时，传感器在10%、30%、50%、70%、90%的标准湿度环境下，电压信号输出值为0.03～0.4 mV，远小于正常的电压信号输出值。电容式湿度传感器在温度-湿度-盐雾的环境下，响应时间和测量精度性能在短期内就会快速发生衰退至失效。

表1 试验样品的测试结果Tab.1 Test results of sample

2.2 失效分析

2.2.1 失效定位

采用湿度发生器、精密露点仪对试验后样品按照产品技术条件进行复核测试，发现样品湿度输出电压值为0。对湿度传感器的电路进行测试，其中CAPA和CAPB 的数值分别对应着湿度敏感元件震荡频率和参比电容震荡频率。由测试数据可知，参比电容频率为4.7 kHz 左右，湿度敏感元件输出频率小于4.0 kHz，超出了正常震荡频率的范围（4.5～4.7 kHz），初步推断为湿度敏感电容器件出现了异常。

采用LCR 测试仪对传感器上的湿敏电容元件进行复核测试，发现湿敏电容元件容值为6.84×103pF，比正常元件电容值（180～210 pF）偏大；绝缘电阻为0.62 MΩ，比正常元件绝缘电阻值（1.0×104MΩ）偏小；损耗角正切值为1.380，比正常元件（0.003）偏大。由此可以说明，湿敏电容为失效部位。

2.2.2 外观检测

采用3D 测量显微镜（放大倍数为30 倍）观测失效湿度传感器和完好样湿度传感器上湿敏电容的外观（见图1a、b）与金相形貌（见图1c—h）。从图1a、b 的光学形貌和图1c—h 金相形貌看，失效的湿敏电容器件表面存在多处腐蚀痕迹，且在器件左侧存在几个过电烧蚀形貌，而完好的湿敏电容器件表面虽存在污迹，但未见明显腐蚀和烧蚀形貌。

图1 湿敏器件的立体显微镜形貌Fig.1 Stereomicroscope morphology of humidity sensitive device: a) optical morphology of the failed device; b) optical morphology of intact devices; c) metallographic morphology of the failed device; d) metallographic morphology of the intact device;e) morphology of corrosion zone 1 of the failed device; f) morphology of corrosion zone 1 of the intact device; g) morphology of breakdown zone of the failed device; h) metallographic morphology of the intact devices-magnified at 2

2.2.3 微观分析

采用 X 射线透视仪对湿敏电容器件底部完整性进行检查（见图2），未发现器件基底有明显破损痕迹。

图2 湿敏电容器件基底的X 射线图Fig.2 X-ray of the bottom of humidity sensitive capacitor: a) failed capacitor; b) intact capacitor

图3a—c 为失效的湿敏电容器件腐蚀区域和电击穿区域的扫描形貌图，图3d 为完好湿敏电容器件相同区域的扫描形貌。在扫描电镜下可以清晰地看见，失效湿敏电容介质层存在击穿烧蚀点，且下边缘的腐蚀区域也存在明显的熔融形貌，击穿区域能观察到镀层裂纹生成；完好的湿敏电容基材在扫描电镜下呈现得十分光滑。采用EDS 对湿敏电容表面进行成分分析，结果见表2。

图3 湿敏电容器件SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of humidity sensitive capacitor: a) corrosion zone 1 of failed humidity sensitive capacitor; b) breakdown zone 1 of failed humidity sensitive capacitor; c) corrosion zone 2 of failed humidity sensitive capacitor; d) zone 1 of intact humidity sensitive capacitor

表2 湿敏电容的成分分析结果（质量分数，%）Tab.2 Composition analysis results of humidity sensitive capacitor (mass fraction, %)

由表2 可知，失效湿敏电容腐蚀区域1 的C、O元素明显高于完好湿敏电容的相同区域，推测可能是由于表面存在一定程度的烧蚀和氧化。再结合失效湿敏电容击穿形貌处的SEM 结果，击穿区域的介质层被烧蚀，但其表面仅有龟裂状形貌，推测器件表面存在一层保护层，使击穿烧蚀区域无法完全暴露出来，同时也在一定程度上阻挡了介质污染区域的检测与分析。

2.3 失效机理分析

湿敏电容的结构见图4。从图4 可知，湿敏电容以湿度敏感材料（如高分子材料、多孔陶瓷、多孔氧化物等等）作为电容介质层，玻璃基板为基底，通过溅射金并光刻制成下电极和上下电极引线，以高分子材料作为湿敏敏感材料，通过溅射金将电极与电极引线实现连接，再加上保护层形成湿敏电容器件。当在潮湿的环境中，湿敏材料吸收环境中的水蒸气后，引起材料的介电常数发生变化，表现出敏感器件的电容量发生变化，从而可以换算出环境中的相对湿度[20-21]。

图4 湿敏电容结构Fig.4 Structure of the humidity sensitive capacitor

根据试验结果，湿敏电容是湿度传感器的薄弱环节。在温-湿-盐雾的试验环境下，在湿热阶段试验箱体内的水蒸气会将整个湿度传感器表面润湿，包括湿敏电容内部。当试验程序进入到盐雾阶段时后，实验箱体内部充满盐雾气氛，盐雾粒子（主要为钠粒子、氯粒子）又会将整个湿度传感器包裹，部分盐雾粒子会溶解在湿敏电容的感湿材料表面的水分子中。当在试验程序转入干燥阶段后，感湿材料上的水分在温度的作用下挥发掉，剩下少量的固体盐颗粒沉积在湿敏电容内部的湿敏材料表面上，随着老化时间的增加，盐粒子最终形成颗粒物。

带钠粒子和氯粒子的颗粒物是具有导电性的，这将会引起湿敏电容内部绝缘层的绝缘性能下降。同时，由于这些颗粒物呈现出不规则的形状，当通电测试时会产生电场，导电颗粒物带有尖端放电（如图5所示）的特点，使得杂质周边具有极高的电场强度，导致整个感湿膜的绝缘性能降低，最终会伴随着腐蚀和烧蚀的发生，又产生了新导电介质。随着老化试验和测试循环的进行，最终导致湿敏电容失效。

图5 颗粒物尖端放电Fig.5 Tip discharge of particle

3 结论

1）电容式湿度传感器在三因素（85 ℃/85%RH/8 h→40 ℃/0.05%NaCl 中性盐雾/8h→35 ℃/50%RH干燥/8 h）环境下进行加速老化试验，7 d 时样品出现异常，14 d 后完全失效。

2）在温度-湿度-盐雾等多因素耦合环境作用下，盐雾环境中的盐粒子会附着在感湿材料上。当感湿材料处于干燥环境时，水分挥发后，盐粒子便沉积在感湿材料表面。随着老化时间的持续，盐粒子会在感湿材料上形成盐颗粒，降低湿敏电容的绝缘耐压性能。当有电流通过时，盐颗粒出现尖端放电，发生击穿烧蚀，最终导致器件功能失效。