[发明专利]一种新型湿敏传感器的制备方法

说明书

本发明涉及一种用于湿度测量的湿敏传感器的制造方法。

湿度的监测最早采用毛发湿度计和干湿球湿度计等，它们的原理都是将湿度转变为非电信号的物理量，所以不适应对湿度的精确测量和自动控制。将湿度转换成电参量(如电阻、电容、电流或电压等)的湿敏材料现在主要有电解质和高分子化合物感湿材料；陶瓷感湿材料；多孔金属氧化物及半导体感湿材料等。

以上各类湿敏材料制作的湿度敏感器件的研制和生产应用，与其他敏感器件相比也是比较落后的。其主要原因一方面是难以获得具有理想性能的感湿材料，另一方面是由于湿度敏感器件工作时，必须暴露在待测环境中，工作条件复杂和恶劣。对于电解质和高分子材料的主要问题是很难适应恶劣的工作环境。对于陶瓷材料，其制备工艺复杂，重复性差，阻值偏高。对于半导体湿敏材料，其制造设备昂贵，成本高，性能也并不理想。因此探索新工艺，研究新材料是湿敏材料长期发展的方向。

氯化锂传感器是传统的电解质湿敏传感器，现在的制备工艺是将氯化锂溶入聚乙烯醇(PVA)中，由于PVA的吸湿溶涨，使得其测湿范围变得很狭窄，通常要制作六种不同氯化锂含量的元件，然后拼在一起才能完成对全湿范围的测量，其工艺复杂。

本发明的目的是提供一种制备技术简单，成本低，便于实用，而且用一个元件即可完成对全湿范围测量的湿敏传感器制造技术。

本发明是利用纳米复合技术制得感湿性能好，性能稳定，制造工艺简单的湿敏传感器。由于感湿材料往往在中、高湿度下，性能不稳定，通过纳米复合技术，一方面利用基体材料的稳定性来提高纳米复合材料的稳定性，另一方面利用纳米级材料的敏感性来提高材料的灵敏性，同时利用溶胶-凝胶工艺容易获得多孔基体材料的特点，使基体材料也具备湿敏特性，这样可以调控和优化复合材料的性能，从而为制备湿敏新材料开创一种新的制备方法和技术。

采用纳米复合材料的制备技术，将纳米级感湿材料均匀分散在多孔基体材料中，形成纳米复合材料的优点是：首先，纳米湿敏组元具有巨大的表面积，因此较传统微米和块体材料对湿度的敏感性可大大提高。其次，因基体材料抗环境侵蚀性能好，从而提高复合材料整体抗环境侵蚀能力。第三，纳米复合材料通过基体材料的多孔感湿特性和纳米湿敏组元的复合，可以达到改善湿敏组元特性和扩大测湿范围的目的。

纳米复合技术，是全新的湿敏薄膜材料制备技术，利用该技术制备湿敏薄膜传感器还未见报道，该技术的突出特征是使用溶胶-凝胶工艺，将湿敏组元(氯化理)复合到以二氧化硅为主的基质玻璃溶胶中。其次，该技术采用提拉法在印有金叉指电极的陶瓷基板上镀膜。第三，薄膜干燥是室温自然干燥，或超临界干燥。第四，该技术是将薄膜在高温下热处理(400～650℃)0.5～2小时。

图1、图2为工艺流程图。图3为带有叉指电极的陶瓷基板示意图。图4为该类薄膜阻抗与相对湿度的典型关系图。图5为该类薄膜典型的吸湿脱湿相应曲线。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

在图1中，金属醇盐是指那些能够形成适合作为湿敏材料基体的玻璃组元的金属醇盐，本发明采用正硅酸乙酯，异丙醇铝，硼酸三丁酯等。溶剂是指去离子水、乙醇和乙二醇，必要时加入适量的盐酸或硝酸。玻璃先体溶液是指能够形成二氧化硅玻璃，硅铝玻璃，硅硼玻璃或硅铝硼玻璃的先体溶液。

本发明采用的湿敏组元是指氯化锂，四氧化三铁等常见的湿敏化合物或氧化物。溶剂指去离子水和乙醇。湿敏组元先体指氯化锂或四氧化三铁等的乙醇水溶液。四氧化三铁溶胶采用Marsart方法制备，详见IEEE Transaction on magnetics，Vol.mag-17，No.2，(1981).利用该方法制得的四氧化三铁胶体颗粒为12纳米左右。

玻璃基纳米复合先体溶液指以上两种溶液进行混合后得到的透明均匀具有一定化学计量比的溶胶。

图2给出了本发明采用的两种玻璃基纳米复合湿敏材料器件的制备工艺，图中(一)是将印有叉指电极的基片浸入到由图1中描述得到的先体溶液中，缓慢提升，在基片表面上获得溶胶-凝胶薄膜，通过干燥和高温热处理得到玻璃基纳米复合薄膜材料，经老化、测试后即可使用，这是一步热处理工艺。图(二)是两步热处理工艺，具体工艺是，首先将基片在玻璃先体中浸入，重复工艺(一)中的制膜步骤，在基片上获得多孔玻璃膜，然后再浸入湿敏组元先体溶液中，完成制膜工艺后在低温下热处理，得到具有湿敏性能的纳米复合薄膜，经老化测试后即可使用。