[发明专利]一种基于氧化铝纳米线薄膜的湿敏传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种基于氧化铝纳米线薄膜的湿敏传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，湿敏传感器在工农业生产、食品质量监控与储存、气象及环境监测、家用电器等领域中的应用越来越广泛和深入，而且要求器件更轻便、更准确、成本更低。湿敏传感器的种类繁多，按所涉及的材料类型大致可以分为：高分子聚合物型，电解质型，半导体陶瓷材料型和纳米薄膜材料型。高分子聚合物型响应快、精度高，但易老化和被污染；电解质型原理简单，灵敏度高，但在高湿环境中易潮解，可测量范围窄；半导体陶瓷材料型在高温高湿环境中效果较好，但易被污染，需要电热反复清洗；而纳米薄膜型不仅体积小，响应快，而且灵敏度高，寿命长。其中，纳米级的氧化铝(Al₂O₃)材料湿敏特性优良，并具有弹性模量较高、耐高温的优点，日益受到研究人员的关注。

Al₂O₃材料的感湿机理源于其对水分子的吸附作用，其中材料的比表面积以及对水分子的吸附/脱附机制将影响到所制备传感器的检测灵敏度与湿滞特性。

近几年，从材料体系上看，对Al₂O₃湿敏特性的研究从传统的各种Al₂O₃复合陶瓷材料，延伸到多孔氧化铝(AAO)膜，再到Al₂O₃纳米管。已有的研究表明，Al₂O₃复合陶瓷材料由于表面积小，对湿度的敏感度有限，准确度及选择性都远不及纳米材料。纳米级Al₂O₃材料(AAO膜/Al₂O₃纳米管)由于具有巨大的比表面积，为水分子的吸附提供了更大的空间，又由于水的介电常数较高(约为80)，被吸附后可导致Al₂O₃材料电学性质的改变，更易实现对湿度的高灵敏度检测。已有专利CN 101105468A基于多孔氧化铝(AAO)膜去掉基底，制备拥有通孔AAO结构的湿敏传感器。

在高湿度区，湿敏主要是通过多层物理吸附实现，由于物理吸附键能较小且吸附的水分子量较大，所以易吸附/脱附，湿滞小且灵敏度很高。在低湿度区，由于Al₂O₃纳米材料的制备工艺通常需经过多种化学腐蚀和清洗，在纳米孔洞内或材料表面残留的杂质离子，通过静电引力与高极性的水分子互相吸引导致水分子的吸附，甚至演变为化学吸附，可使纳米级Al₂O₃材料亦具有低湿度湿敏感应。但化学吸附键能较高，水分子难以脱附，尤其是水分子化学吸附在AAO膜的孔洞中或Al₂O₃纳米管的内壁上，易造成较大的湿滞效应。

因此，AAO膜制备的传感器，比表面积较大，在湿度的全程范围内都有响应，但由于裸露在表面的杂质离子有限，所以在(相对湿度)RH≤70％时，敏感度较低，湿敏变化很小(Youngdeuk Kim，Bongbu Jung，Hunkee Lee，et al.，Capacitive humidity sensor design based onanodic aluminum oxide，Sensors and Actuators B，2009，141：441-446)。而Al₂O₃纳米管较AAO比表面积更大，所以在整个湿度范围内更敏感，但管状结构的毛细管作用易造成较大湿滞，且制备方法为化学法，需经过各种高温处理，历时较长、过程复杂。另外，Al₂O纳米管要制备成传感器还需要复杂的后续加工处理，不易于批量生产(Baochang Cheng，Baixiang Tian，Cuicui Xie，et al.，Highly sensitive humidity sensor based on amorphous Al₂O₃nanotubes.Journalof Materials Chemistry，2011，21，1907-1912)。

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