溶胶—凝胶光湿敏薄膜传感器研究

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3.0 高德中 2024-11-19 9 4 4.87MB 65 页 15积分

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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。

第一章绪论

湿度传感器的感湿温度系数定义为：在环境湿度保持恒定的条件下，环境温度

每变化1℃时所引起的湿度误差

式中，—环境温度与室温之差；、 —某一温度下和规定温度下，湿度传感

器的感湿特征量对应的相对湿度； —元件的感湿温度系数，单位为%RH/℃。

5．响应时间

湿度传感器的响应时间是在规定的环境温度下，环境湿度由起始相对湿度瞬时

达到终止相对湿度时，湿度传感器的感湿特征量由起始值改变到终止值所需要的时

间。

6．湿滞曲线和湿滞回差

一个湿度传感器不仅在吸湿和脱湿两种情况下的响应时间有所不同，而且其感

湿特性曲线也互不重合。在吸湿和脱湿情况下，两个感湿特性曲线一般可形成一曲

线，这一特性称为湿滞特性，而将上述曲线称为湿滞曲线。表示湿度传感器湿滞特

性的特性参数是湿滞回差，如图1-1所示。

综上所述，作为理想湿度传感器应满足下列要求[6]：

（1）灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好；

（2）量程宽，实用温度范围广，湿度温度系数小；

（3）湿滞小，响应时间短；

（4）使用寿命长，长期稳定性好，耐水性好，抗污染能力强；

（5）能在有害气氛的恶劣环境中使用；

（6）感湿特征量应在易测以内；

（7）具有互换性，制造简单，价格低廉。

§1.2 湿敏材料

湿敏材料是构成湿度传感器的最重要组成部分，其性能决定了湿度传感器响

应特性的好坏，研制新型高性能湿敏材料，一直是湿敏元件研究的核心。

§1.2.1 湿敏材料的分类

(一) 电解质型湿敏材料[7]

这类材料包括无机电解质和高分子电解质湿敏材料两大类。

吸湿

脱湿

相对湿度

（%）

湿滞回差

图1-1 电阻-湿度特性湿滞曲线

30 40 50 60 70 80 90

10M

100K

10K

电阻 (Ω)

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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...

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