基于氧化铝薄膜的湿度传感器及其湿敏特性研究

作     者：郑昊 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭袁俊

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：湿度传感器 氧化铝纳米颗粒 阻抗式 表面改性 水热法 

摘      要：湿度传感器常用于精确监测和控制相对湿度,目前常用于天气预报、呼吸监测辅助临床诊断、食品储存、汽车工业、农业领域和半导体加工生产。近些年来,纳米颗粒的合成方式更加多样化,不仅可以尝试控制颗粒的形貌与结构,还可以掺杂各种不同的杂质元素。本文尝试通过氧化铝纳米颗粒制备湿敏薄膜,通过增加薄膜表面亲水基团的数量和改变薄膜表面形貌两个方面提高薄膜的湿敏性能。通过表征手段对薄膜形貌等特点进行分析;采用动态法对传感器的湿敏性能进行测试。具体研究内容如下:1.选择粒径为20 nm的商用γ相氧化铝纳米粉体作为样品,通过滴涂的方式制备了氧化铝湿敏薄膜,并对薄膜进行了退火处理。通过扫描电镜、XRD、傅里叶红外谱图等表征手段对薄膜的形貌进行了分析。采用动态法测试了湿度传感器的湿敏性能,结果表明虽然传感器对湿度敏感,但是对低湿的响应小,在20%RH左右其灵敏度仅为4.99%。其次还探究了退火温度对湿度传感器性能的影响,结果表明当退火温度为500℃时,传感器的湿敏性能最好。为了提高薄膜的湿敏性能,通过双氧水对薄膜表面进行了亲水性处理,尝试增加薄膜表面的亲水基团。通过红外光谱图明显发现薄膜改性后表面的亲水基团增多。同时,对改性后传感器的性能进行了测试,结果表明,改性后传感器的湿敏响应明显提高,在30%～80%RH灵敏度提高10～30个百分点,湿滞仅为3.5%。2.在上述实验的基础上,尝试通过改变薄膜的形貌来提高湿度传感器的性能。通过水热法合成了具有微纤维状的介孔氧化铝纳米颗粒,并通过XRD、扫描电镜等表征手段分析了退火温度对合成的前驱体碳酸铝铵（AACH）分解产物的影响。结果表明,当退火温度为500℃时,可得到晶型为γ的氧化铝,并且纤维结构突出且无明显的不规则颗粒和棒状颗粒。对制备的湿度传感器进行了湿敏测试,并测量了不同的特征参数（阻抗和电容）。结果表明,湿度传感器对10%～90%的相对湿度范围均有响应,灵敏度为1.5%～22.6%;在20%RH时,电容式和阻抗式湿度传感器的灵敏度分别为1.60%,3.23%,阻抗式在低湿环境下较为敏感;电容式湿度传感器在低湿范围具有良好的稳定性,误差波动仅为2%。