溶胶—凝胶光湿敏薄膜传感器研究

VIP免费

3.0 高德中 2024-11-19 5 4 4.87MB 65 页 15积分

侵权投诉

溶胶-凝胶光湿敏薄膜传感器研究

摘要

首先，简要介绍了湿度传感器，阐述光学湿度传感器的机理、光湿敏薄膜材料与

制备方法，然后总结了光学湿度传感器的发展现状，特别是介绍了近年来发展较为

迅速的各种光学检测方法，最后提出了光学湿度传感器今后的研究发展方向。

然后，在综合分析了Maxwell-Garnett理论和有效介质理论的基础上，针对湿敏陶

瓷材料提出了一种新颖的复合模型，给出了以吸附参数和陶瓷材料气孔率为变量的

薄膜折射率随湿度变化的理论关系。随着吸附参数的增大，SiO2薄膜的折射率增大

随着陶瓷材料气孔率的增大，SiO2薄膜的折射率将减小。利用薄膜折射率的变化检

测湿度，灵敏度可以达到10-3数量级。通过计算机理论模拟与采用p-偏振光双面反

射法所做的实验结果对比，证明了该模型的合理性和正确性，为光湿度传感器研究

提供新的理论依据。

再次，基于TiO2系陶瓷湿敏材料，采用溶胶-凝胶工艺制备TiO2/SnO2薄膜。通过

观察薄膜表面的原子力显微形貌图和接触角的精确测量，分析了纯TiO2薄膜、

TiO2/SnO2复合薄膜、掺杂聚乙二醇的TiO2/SnO2和薄膜层数对薄膜的吸湿性能的影

响。结果表明：当SnO2和TiO2的摩尔比为6%时，复合薄膜的亲水性最好;掺杂一定

量的聚乙二醇有效地提高TiO2/SnO2薄膜的吸湿性能；少量薄膜层数的增加有利于

复合薄膜湿敏性能的改善。

最后，进一步对湿敏实验进行研究。采用溶胶-凝胶工艺制备TiO2/SnO2薄膜，采

取掺杂适量的聚乙二醇、控制SnO2和TiO2的摩尔比和适当增加薄膜层数的方法，通

过观察薄膜表面的微观结构和对接触角的精确测量，发现TiO2/SnO2复合薄膜的吸

湿性能明显提高。首次利用p-偏振光双面反射法测量不同湿度下湿敏薄膜的光学参

数，通过TiO2/SnO2薄膜折射率的变化来检测环境湿度的变化。结果表明p-偏振光

双面反射法可以作为高灵敏度的光湿度传感器的检测方法，折射率的感湿灵敏度达

到10-3数量级。

关键词：传感器湿敏薄膜 p-偏振反射法折射率

ABSTRACT

This paper presents the humidity sensor in brief and expatiates the mechanism of

h u m i d i t y s e n s o r a n d t h e p r e p a r a t i o n o f o p t i c a l h u m i d i t y s e n s i t i v e f i l m f i r s t l y . T h e

d e v e l o p m e n t a c t u a l i t y o f h u m i d i t y s e n s o r i s s u m m a r i z e d a n d a l l k i n d s o f o p t i c a l

m e a s u r i n g m e t h o d s w h i c h h a v e d e v e l o p e d r a p i d l y i n r e c e n t y e a r s a r e i n t r o d u c e d

e s p e c i a l l y t h e n . L a s t l y w e b r i n g f o r w a r d r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n s o f

humidity sensor for the future.

A novel composite model is put forward for semiconductor humidity-sensitive

c e r a m i c m a t e r i a l b a s e d o n M a x w e l l - G a r n e t t a n d e f f e c t i v e m e d i u m t h e o r y , a n d

a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n o f t h e r e l a t i o n b e t w e e n e f f e c t i v e r e f r a c t i v e i n d e x a n d r e l a t i v e

h u m i d i t y i s s h o w e d w i t h d i f f e r e n t a b s o r p t i o n f a c t o r s a n d p o r o s i t i e s . T h e l a g e r t h e

absorption factor is, the higher the refractive index is. Refractive index of humidity-

s e n s i t i v e f i l m S i O

2 d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f c e r a m i c m a t e r i a l p o r o s i t y . T h e

s e n s i t i v i t y o f o p t i c a l h u m i d i t y s e n o r i s a v a i l a b l e t o m a g n i t u d e o f

1 0

- 3

. I n c o n t r a s t t o t h e e x p e r i m e n t a l h u m i d i t y - s e n s i n g c u r v e u s i n g p- p o l a r i z e d

reflectance and the analysis of mechanism, theoretical simulation is in agreement with

experimental results. So this composite model is proved to be reasonable which lays new

theoretical foundation in further research on optical humidity sensor.

TiO

2/SnO

2 composite films were prepared on K9 optical glass substrates by sol-gel

processing and dip-drawing method. The influences of TiO

2、T i O

2/ S n O

2、doped

TiO2/SnO2 with PEG and the thickness of film on adsorption by AFM and contact angle

meter were discussed. The results indicate that PEG doped TiO2/SnO2 could effectively

improve the adsorption of TiO

2/ S n O

2. T h e o p t i m a l S n O

2 concentration for adsorption

is 6% and larger film thickness is helpful to reduce the contact angle of the composite

films.

TiO2/SnO2 film was prepared by sol-gel processing as humidity-sensitive material.

The influences of TiO

2、TiO2/SnO2、doped TiO

2/SnO2 with PEG and the thickness of

f i l m o n a d s o r p t i o n b y A F M a n d c o n t a c t a n g l e m e t e r w e r e d i s c u s s e d . T h e o p t i m a l

SnO

2 concentration for adsorption is 6% and larger film thickness is helpful to reduce

the contact angle of the composite films. In various humidity, the optical constants of

the thin film were obtained using p-polarized reflectance. The optical humidity sensor

makes the use of refractive index to measure humidity. It’s an excellent humidity sensor

with a high sensitivity by p-polarized reflectance.

K e y w o r d s : S e n s o r s ; h u m i d i t y - s e n s i t i v e f i l m ; p- p o l a r i z e d

reflectance； refractive index

第一章 绪论
目录
摘  要 
ABSTRACT 
第一章  绪论 ........................................................1
§1.1  湿度传感器 ………………………………………………………………..1
§1.1.1  湿度的定义 …………………………………..……………………..1
§1.1.2  湿度传感器的原理 ……………………………………..…………..1
§1.1.3  湿度传感器的特性参数 ………………………..…………………..2
§1.2  湿敏材料 …………………………………………………………………..4
§1.2.2  湿敏薄膜的制备方法 ………………………………………………5
§1.2.3  湿敏薄膜材料的研究进展 …………………………………………6
§1.3  溶胶-凝胶的制备、特点及应用 …………………………………………..7
§1.3.1  溶胶-凝胶成膜过程. ………………………………………………..7
§1.3.2  溶胶-凝胶薄膜制备方法. ………………………………………….8
§1.3.3  溶胶-凝胶薄膜特点及应用 ………………………………………..8
§1.4  光学薄膜检测技术及其进展 ……………………………………………..9
§1.4.1  光学薄膜检测技术 …………………………………………………9
§1.4.2  薄膜光学常数的测量 …………………………………………… .10
§1.5  光学湿度传感器及最新进展 ……………………………………………18
§1.5.1  光学湿度传感器 …………………………………………………..18
§1.5.2  光学湿度传感器最新进展 ………………………………………..19
§1.5.3  光学湿度传感器的发展方向 ……………………………………..24
§1.6  课题内容 …………………………………………………………………24
§1.6.1  课题的提出和研究意义 …………………………………………..24
§1.6.2  课题的研究方案和内容安排 ……………………………………..25
第二章  光湿敏机理的探讨研究  …………………………………………………26
§2.1  引言 ………………………………………………………………………26
§2.2  微观结构的复合模型 ……………………………………………………26
§2.3  复合模型的理论分析 ……………………………………………………27
§2.3.1  Maxwell-Garnett理论………………………..……………….…...27
§2.3.2  Bruggeman理论（有效介质理论）………………………..……... 28
§2.3.3  复合模型的理论分析 ………………………………………..…...29
§2.4  折射率感湿关系数值模拟 ………………………………………………29
§2.4.1  不同吸附参数下的感湿曲线………………….…………………. 29
§2.4.2  不同气孔率下的感湿曲线 ………………….……………………30
§2.4.3  湿度环境下的折射率灵敏度 …………………………………….31
§2.5  实验数据对比及验证 …………………………………………………...31
§2.6  结论 ……………………………………………..……………………….33
第三章  薄膜光学参数的偏光反射透射比测量法…………………………………34
§3.1  引言 …………………………………………………………………...….34
1

溶胶-凝胶光湿敏薄膜传感器研究
§3.2  平板镀膜系统的偏光反射和透射测量法 ………………………………34
§3.2.1  引言……………………………… ………………………………..34
§3.2.2  偏振光双面反射、透射测量法基本原理 ………………………...34
§3.3  p-偏振光透射比测量法的角谱特性 ……………………………………36
§3.4  s-偏振光反射比、透射比的角谱特性 …………………………………..39
§3.4.1  s-偏振光反射比角谱特性 …………………………………....…..39
§3.4.2  s-偏振光透射比角谱特性 ………………………………………..40
§3.5  偏振光组合反射比、透射比的角谱特性 ………………………………..40
§3.5.1  偏振光组合反射比角谱特性 …………………………………….40
§3.5.2  偏振光组合透射比角谱特性 …………………………………….42
§3.6  偏振光反射透射比的角谱特性 …………………………………………43
§3.6.1  p-偏振光反射透射比角谱特性 ………………………………….43
§3.6.2  s-偏振光反射透射比角谱特性 …………………….…………….45
§3.7  偏光检测方法比较及结论 ………………………………………………47
第四章  湿敏薄膜的制备及其性能  ………………………………………………48
§4.1  引言 ………………………………………………………………………48
§4.2  TiO2/SnO2湿敏薄膜的制备 ……………………………………………..49
§4.3  TiO2/SnO2湿敏薄膜的性质 ……………………………………………..50
§4.3.1  薄膜的微观结构及形貌特征 ……………………………………..50
§4.3.2  湿敏薄膜的亲水特性测试 …………………………………..……52
§4.4  结论 ………………………………………………………………………54
第五章  光学湿度传感器的实验研究  ……………………………………………55
§5.1  引言 ………………………………………………………….…………...55
§5.2  光湿敏传感结构及p-偏振反射法检测原理 ……………………….…..55
§5.3  光湿度传感器的实验研究 ………………………………………………56
§5.3.1  实验装置 …………………………………………..……………...56
§5.3.2  样品制备 ……………………………………………………….....57
§5.3.3  光湿敏实验 …………………………………………………..…...58
§5.4  光湿度传感器的实验结果 ……………………………………….……...58
§5.5  结论 ………………………………………………………………….…...61
第六章 总结与展望   ………………………………………………………………62
§6.1  结论 ………………………………………………………………………62
§6.2  论文不足和亟待解决的问题 ……………………………………………63
§6.3  展望 ………………………………………………………………………63
参 考 文 献   ………………………………………………………………………64
2

第一章绪论

§1.1 湿度传感器

湿度是影响人类生活条件的基本因素之一。早些年，气象部门对人类生存环

境中的湿度进行观测和测量。随着信息产业的发展及工业化的进步，湿度不仅仅

直接或间接影响着人类基本生活条件，还表现在对工农业、生物制品、医药卫生、

科学研究、国防建设等方面的影响。湿度是环境参数中较难检测的物理量之一，

早先发明的干湿球湿度计或毛发湿度计已不足以满足现代科技发展的需要。

§1.1.1 湿度的定义

湿度是指大气中的水蒸气的含量多少，通常采用绝对湿度、相对湿度和露点

三种表示方法。

绝对湿度是指在一定温度和压力下，单位体积空气中所含水蒸气的绝对质量，

用符号 AH 表示，其定义为

AH=mv/V

式中 mv—空气中的水蒸气质量；V—空气的总体积；AH—空气的绝对湿度,其单

位为g·m-3 或mg·m-3。

相对湿度为空气中水蒸气压p与相同温度T下的饱和水蒸气压pw比值的百

分数。这是一个无量纲量，常表示为% RH，亦即

相对湿度=(p/pw)×100%RH

露点是指在压力一定的情况下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时,空

气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变为液态时称为结露的温度，此时的温度

称为露点，用℃表示。

§1.1.2 湿度传感器的原理

目前，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。大多数传统的湿度传感

器是依赖电参数（如电阻[1]、电导[2]、电容[3]）的变化通过离子传导或电子传导来

溶胶-凝胶光湿敏薄膜传感器研究

进行湿度测量的。近年来，结合光纤技术和光集成技术的发展，光学湿度传感器受

到极大关注并被广泛应用[4]。另外，采用溶胶－凝胶工艺制备敏感材料成为光学湿

度传感器的研究热点，这类材料空隙率高、物理化学性质可塑性强，已用于各种不

同的传感器结构如薄膜、侧式或端式涂膜光纤以及平面波导中[5]。

湿度传感器是基于其功能材料发生与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上

制造的。它具有可将湿度物理量转换成电信号的功能，这些功能可以通过与湿度有

关的电阻或电容的变化、长度或体积的缩胀以及结型器件或MOS器件的某些电参

数的变化，例如pn结击穿电压、电流放大系数、反向漏电流、MOS器件[6]的电阻等

的变化而得以实现。

针对电解质湿度传感器遇高温或结露时，易造成电解质液流失而损坏的特点，

近年来研制了高分子材料湿度传感器。用有机高分子材料制成的湿度传感器，主

要是利用它的吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，

制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电

阻式湿度传感器。对于电容式湿度传感器，其上部多孔质的金电极可使水分子透

过，水的介电系数比较大，室温时约为79。感湿高分子材料的介电常数并不大，

当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随着环境湿度的提高，高分

子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加，所以根据电容量的变

化可测得相对湿度。对于电阻式湿度传感器，由于湿敏材料极强的吸水性，吸水

后电离，在其水溶液里就含有大量的离子。由于吸湿量不同，湿敏薄膜的阻值也

不同，所以根据阻值变化可以测量相对湿度。

§1.1.3 湿度传感器的特性参数

湿度传感器的特性参数主要有以下几个[6]：

1．湿度量程

湿度传感器能够比较精确测量的环境相对湿度（或绝对湿度）的最大范围，称

为这个湿度传感器的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿度

传感器的适用范围应当为100%RH的全量程。

2．感湿特征量-相对湿度特性曲线

湿度传感器把湿度转换成的电量称为其感湿特征量，如电阻、电容、频率等。

湿度传感器的感湿特征量随着环境相对湿度的变化曲线就是湿度传感器的感湿特征

量-相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。

3．灵敏度

湿度传感器的灵敏度是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时，湿度

传感器的感湿特征量的变化值。就其物理意义而言，它应当是元件的感湿特性曲线

的斜率。

4．感湿温度系数

湿敏元件的感湿温度系数是表示湿度传感器的感湿特性曲线随环境温度而变化

的特性参数。

文档加载中……请稍候！
如果长时间未打开，您也可以点击刷新试试。

下载文档到电脑，查找使用更方便

15 积分 4人已下载

立即下载 VIP免费下载

摘要：

溶胶-凝胶光湿敏薄膜传感器研究摘要首先，简要介绍了湿度传感器，阐述光学湿度传感器的机理、光湿敏薄膜材料与制备方法，然后总结了光学湿度传感器的发展现状，特别是介绍了近年来发展较为迅速的各种光学检测方法，最后提出了光学湿度传感器今后的研究发展方向。然后，在综合分析了Maxwell-Garnett理论和有效介质理论的基础上，针对湿敏陶瓷材料提出了一种新颖的复合模型，给出了以吸附参数和陶瓷材料气孔率为变量的薄膜折射率随湿度变化的理论关系。随着吸附参数的增大，SiO2薄膜的折射率增大随着陶瓷材料气孔率的增大，SiO2薄膜的折射率将减小。利用薄膜折射率的变化检测湿度，灵敏度可以达到10-3数量级。通过计算...

展开>> 收起<<

溶胶—凝胶光湿敏薄膜传感器研究.doc

共65页,预览7页

还剩页未读，继续阅读

溶胶—凝胶光湿敏薄膜传感器研究

相关推荐

开通VIP享超值会员特权

作者详情

相关内容

推荐作者

热门标签

举报选择: