[发明专利]应用阳极氧化铝膜的快速响应的相对湿度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及阳极氧化铝薄膜传感器，更具体地，涉及基于纳米结构的氧化铝薄膜材料的、快速响应的电容式相对湿度传感器。

背景技术

湿度传感器应用广泛，例如其可用于气象站，空调，家用电器和办公电器，以及工业仪器，等等。对于电子型相对湿度传感器来说，基于聚合体的湿度传感器因其成本低和制造工艺成熟而垄断了市场。而对于高性能的湿度传感器来说，基于半导体材料的传感器和基于陶瓷材料的传感器则更常使用。

阳极多孔氧化铝(AAO)膜(在酸性溶液中阳极氧化的铝箔)是公知用于制造湿度传感器的陶瓷材料。第一个铝基底上的对于湿度敏感的阳极氧化铝层于1953年见诸报道，其发现该结构的电容随着相对湿度增加。自1978年规则的蜂巢结构的氧化铝材料发展起来，基于氧化铝的对湿度敏感的材料也引起了愈来愈多的关注。针对基于该新颖的纳米结构材料而开展的高性能和可靠的传感器的研究非常热门。

通过阳极氧化产生保护性AAO层是成熟技术，例如，应用在像窗口框架这类的铝结构材料上产生保护性AAO层。但是，用于产生保护性AAO应用的阳极氧化技术不适于直接用产生基于AAO的湿度传感器。AAO薄膜的湿度响应在很大程度上取决于阳极氧化参数。例如，现有的湿度传感器具有的电容与湿度的响应经常是非线性的，其在低或高湿度中具有“平坦”的响应；该传感器不能在全湿度范围中工作。湿度传感器的长期稳定是另一个主要关心的问题；当现有的AAO传感器暴露在高湿度的环境下会老化。过往针对现有的湿度传感器的技术问题的各种解决方案多基于复杂的结构设计和/或制造过程，这导致在商业生产中产生不能接受的制造成本。因此，仅在基于阳极氧化铝形成绝对湿度传感器领域取得有限的进展。

综上所述，在本领域中，需要一种基于阳极氧化铝的、低成本的、快速响应的湿度传感器，其电容与湿度的响应基本成线性，并可以测量全范围的湿度条件。

发明内容

本发明提供了一种简单、低成本、和可靠的加工过程，用于制造基于阳极氧化铝薄膜的稳定、快速响应以及全范围的湿度传感器。阳极氧化铝膜包含纳米级通道，通过调节阳极氧化的条件，该通道具有完全可控的孔直径(从几纳米至几百纳米)、孔深度以及孔密度。在该多孔结构的扩展的表面区域中，可以实现高湿度灵敏度和快速响应。并且，阳极氧化铝薄膜是热稳定和化学稳定的，可以形成甚至在苛刻环境中也可使用的稳定的湿度传感器。

附图说明

图1：基于阳极氧化铝薄膜的电容式湿度传感器的示意性侧视图。

图2：基于阳极氧化铝薄膜的电容式湿度传感器的制造过程的流程图。

图3：根据本发明一个实施例的湿度传感器。

图4：根据本发明再一实施例的湿度传感器。

图5：对于本发明的基于AAO的湿度传感器来说，在温度5℃，20℃，35℃，50℃时电容与湿度的曲线。

图6A和6B：基于AAO的湿度传感器在热处理之前和之后，在20℃时测量的电容与湿度的曲线。

具体实施方式

详细转到附图，本发明的实施例示出了应用阳极氧化铝薄膜的电容式湿度传感器。图1是传感器的示意图。各种元件彼此不是按比例示出。

传感器的主体是阳极氧化铝(AAO)薄膜120，其厚度为大约2-20μm。AAO膜120夹在厚度大约为20-200nm顶金属层电极130和作为另一电极的铝基底110之间。AAO薄膜包括直径大约为10-100nm的纳米级通道。在工作中，水蒸汽被吸入在AAO膜的通道表面上，改变AAO膜的电容。通过细致控制纳米结构膜的厚度和其中通道的尺寸可以由纳米级通道提供了很大的表面区域，从而产生快速响应湿度传感器。

参照图2的流程图，接下来勾勒出本发明的湿度传感器的制造过程。下述过程的条件是用于形成图2的特殊尺寸的示例性条件。

在步骤201，原始材料是厚度为0.6mm的铝片。为了产生电容式湿度传感器的恰当形状，铝片被压成图3中示出的形状。

作为替换，在步骤201，原始材料是厚度为0.8mm的铝片，并被压成图4中示出的形状。

在步骤202中，对步骤201中构造的铝模板进行阳极氧化。在一个示例性实施例中，形成具有通道且厚度为15μm的膜，其中该通道的直径为40nm。对于该尺寸的膜来说，在20℃的0.3M草酸中进行阳极氧化。电流密度保持在4A/dm²，电压保持在大约30V。对于15μm的膜来说，使用4小时阳极氧化时间。阳极氧化之后，在水中冲洗传感器平板，以去除酸的残留，然后在提高温度的环境中干燥。