多孔硅的湿度传感特性研究

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本论文的主要工作是利用制备形成的多孔硅作为湿度敏感材料,研究了多孔硅的湿度敏感特性,从不同的角度探索了提高多孔硅湿度传感器性能的措施,同时针对该湿度传感器存在的问题,提出了相应的改进方法。首先,使用掺杂浓度较低(ρ=8~15Ω-cm)、晶向为(100)的P型硅片,采用电化学阳极氧化的方法制备了表面均匀的多孔硅,其腐蚀溶液为体积比为1:1的氢氟酸和无水乙醇,电流密度为30mA/cmz,氧化时间为10分钟。利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对形成的多孔硅的表面形貌进行了表征。其次,利用多孔硅比表面积大,活性强,适宜用作敏感材料的特点,将其用于湿度敏感材料,进行了湿度传感器相关性能参数(灵敏度,响应时间等)的测量。并且还对该湿度敏感元件的频率特性进行了简单的测试。再次,为了改进多孔硅湿度传感器无法再生的缺点,首先引进正温度系数电阻(PTC),通过实验对PTC热敏元件的特性进行了详细的描述,重点研究了使用PTC加热元件对多孔硅湿度传感器进行升温加热的办法,将PTC加热元件粘贴于多孔硅传感器的背面,能够在较短的时间内将整个器件的温度升高到230℃,通过这种方法,使整个多孔硅完全解吸附仅仅需要3分钟的时间,可恢复程度高达99%,解决了多孔硅作为传感器的无法再生的问题。该方法的一个很大的优点就是PTC可以通过控制加热电压而实现自动控温,不需要额外的温度传感器来监测器件的温度,从而节约了成本。最后,为了改进多孔硅湿度传感器的湿度响应特性,以多孔硅为衬底,醋酸锌为前驱体,采用溶胶-凝胶的方法,在退火温度为450℃的条件下制成纳米氧化锌材料/多孔硅复合结构,通过这种方法得到的氧化锌比较均匀,对多孔硅是一种非常好的纳米级别的修饰,提升了多孔硅湿度传感器的灵敏度、降低了响应时间。并且研究了形成纳米氧化锌的前驱体的浓度对多孔硅湿度传感器性能的影响。另外,利用纳米氧化锌/多孔硅复合材料的敏感特性和PTC加热元件的温度可控的优点,制作成高温条件下的气体敏感元件,通过PTC加热元件的加热使整个器件处于高温条件下(大于200℃),成功地排除了水蒸气的影响,进行了高温条件下的气体敏感测试。
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