[发明专利]多元氧化物陶瓷湿敏元件

说明书

本发明涉及一种多元氧化物陶瓷湿敏元件，属于半导体陶瓷湿度传感器。

湿度的测量与控制在工农业、科研、医疗、食品、卷烟行业等方面有着重要的意义。目前，湿敏元件种类很多，其中陶瓷湿敏元件能随湿度的改变而改变电路参数，能适应自控、遥控、遥测技术的需要。现在日、美、英、苏等国有20多家厂家研制和生产陶瓷湿敏元件，其中日本的质量和数量在世界居领先地位。

半导体型陶瓷湿敏元件（即湿度传感器）是一种不需要加热清洗就可长期连续使用且响应速度快，耗能小的陶瓷湿敏元件，但这种湿敏元件通常在低湿度时阻抗甚高，而且只能提供湿敏信息。例如日本松下电器公司生产的MgCr₂O₄-TiO₂湿敏元件，在1%RH时阻抗在10⁸Ω以上;日本三菱电机公司生产的Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂湿敏元件在1%RH时阻抗可高达10⁹Ω以上。高于10⁸Ω一般仪表都无法测量。因此，降低阻抗是扩大感湿范围、减少测量误差的关键一步。此外，阻抗降低到适当值便于与外电路匹配，也降低电路成本（因为高输入阻抗的集成电路价格昂贵）。例如日本卡苏度研究所HDN-55陶瓷湿敏元件在1～99%RH范围内其电阻值为10⁶～10³Ω;东芝的H104湿敏元件在30～90%RH范围内为300～4KΩ，可是，它们的响应时间太长，HDN-55型需要120～180秒，H104型至少需要120秒。

本发明的目的在于提供一种既能降低湿敏元件的阻抗，又能缩短响应时间，并且能提供多种湿敏信息的陶瓷湿敏元件。

本发明的目的是这样实现的：以脱水酸酐ZrO₂、SiO₂、Nb₂O₅及P₂O₅为基质原料，分别掺杂Cd、Al₂O₃、La₂O₃、Li₂CO₃、Y₂O₃、Fe六种材料，将其在空气中高温烧结而成，具体的制作方法有两种：一种是稀浆涂层烧结法，另一种是粉末压片烧结法。

本发明与现有技术相比，其优点在于元件在低温度下阻抗低，适用范围广（感湿范围可从0～100%，工作温度为0～140℃），响应时间短（小于5秒），能提供多种信息（湿度与阻抗）、湿度与电压、湿度与电流三种响应特性），烧结温度不高（小于1000℃），元件的结构和制作工艺简单，无旁热装置和钢丝网外壳，成本低，成品率高。

下面结合实施例详细说明本发明的制作工艺过程和元件性能。

一、稀浆涂层烧结法

1.原材料配备

用Al₂O₃陶瓷管作衬底，管长1cm，内外直径分别是1mm和3mm。依次用洗衣粉，稀盐酸和蒸馏水清洗，泡在无水酒精内待用。

元件的基质材料是脱水酸酐ZrO₂、SiO₂、Nb₂O₅和P₂O₅，它们按一定的摩尔比放在玛瑙研钵内均匀混合，再加适量的蒸馏水和掺杂材料磨成稀浆。为了简化工艺，可以直接用H₃PO₄代替P₂O₅和H₂O。原材料的配方列于表1。

2.元件的制作

用毛笔把磨好的稀浆涂在瓷管外表面上，在红外灯下预烘半小时。然后将其放在管式电炉中，从室温开始加热，升温速率为每小时150℃达到1000℃时恒温30分钟，就断电自然冷却。

元件两端涂银浆作电极，从室温迅速加热到700℃便可烧出银，再用锡、铅焊出一对铜丝引线。这种最简单的管型陶瓷湿敏元件的结构如图1（a）所示。

二、粉末压片烧结法

1.原材料配制

按表2的配方，把两组材料分别放在研钵内均匀混合。把一组材料放在上面，另一组放在下面，在油压机下，用直径为2cm的钢模具加压3吨，压出厚度约1mm的圆片，该圆片就是由两组材料构成的双层片状元件。

2.元件的制作