宋麗麗，韓建峰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，呼和浩特 010080)

濕敏元件在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域被用于局部環(huán)境的濕度監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。對(duì)濕敏元件的電學(xué)特性、感濕機(jī)理及其等效電路的研究日益增多。氧化鈦是一種N－型半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，成本較低且制備工藝簡(jiǎn)單，已經(jīng)成為一種重要的環(huán)境敏感材料［1］。

實(shí)驗(yàn)采用溶膠－凝膠法［2－3］制備氧化鈦納米薄膜陶瓷濕敏元件，研究測(cè)試頻率與環(huán)境濕度對(duì)其電阻、電容、阻抗等物理參數(shù)的影響，重點(diǎn)分析其阻抗特性并研究?jī)?nèi)在機(jī)理，期望能夠?qū)⒃摬牧嫌糜诃h(huán)境濕度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。

1 元件制備及性能測(cè)試

將鈦酸四丁酯(分析純)、無水乙醇(分析純)按配比為1:4(體積比)混合，使用磁力攪拌器攪拌30 min，得到黃色溶液，靜置并陳放兩日后，使用提拉法在印有梳狀銀電極［4－6］的石英玻璃基板上涂覆薄膜。然后在100℃下保溫30 min，繼續(xù)在高溫箱式電阻爐內(nèi)煅燒1 h，煅燒溫度為500℃，得到所需濕敏元件［7］，如圖1所示。

在室溫22℃下，選擇環(huán)境濕度范圍在9% RH～97% RH(飽和鹽溶液法)內(nèi)共九個(gè)濕度點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，按照濕度依次增加的順序進(jìn)行測(cè)量。采用ZL5 型智能LCR 測(cè)量?jī)x對(duì)薄膜元件的電阻、電容、阻抗等物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試頻率分別為0.01 kHz、0.1 kHz、1 kHz、10 kHz、100 kHz，測(cè)量電壓為1 V。

測(cè)試系統(tǒng)是由GPIB 接口卡建立PC 機(jī)和ZL5組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)［8］。測(cè)試系統(tǒng)的所有操作都是通過此接口實(shí)現(xiàn)的，ZL5 測(cè)量?jī)x從接口總線上得到命令，在命令執(zhí)行完后將數(shù)據(jù)送回接口總線。在PC 機(jī)上利用VB 開發(fā)的系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行存儲(chǔ)分析。

圖1 濕敏元件模型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)參數(shù)－濕度特性

圖2 電阻、電容、阻抗隨濕度變化關(guān)系曲線

圖2 表示薄膜元件在不同頻率下的感濕特性曲線。圖2(a)為電阻－濕度曲線:工作頻率較低時(shí)，低濕區(qū)元件的電阻值隨濕度變化不大，高濕區(qū)元件的電阻值隨著濕度的增大明顯減小，元件的感濕靈敏度較高;工作頻率較高時(shí)，電阻值變化趨勢(shì)變緩。圖2(b)電容－濕度曲線表明，工作頻率較低時(shí)，在低濕度(相對(duì)濕度＜40%)時(shí)，電容變化很小，當(dāng)濕度達(dá)到一定范圍后，電容隨濕度的增大而迅速增加，頻率為100 Hz 最為明顯;工作頻率越高，元件的感濕靈敏度越低，隨著頻率的增大，特性曲線在低濕區(qū)出現(xiàn)平臺(tái)，曲線線性劣化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，隨著濕度的增加，不僅電子、離子濃度發(fā)生變化，材料本身的極化也隨之加強(qiáng)，表現(xiàn)為顆粒間界面電容增大;在電極表面能夠積累離子從而導(dǎo)致空間電荷極化，表現(xiàn)為電極表面電容的增加，所以總電容迅速增大［9－10］。

元件的阻抗主要包含兩部分:電阻分量和電抗分量。材料阻抗中的電阻分量可表示為Ri(Ri為元件中材料顆粒本身、材料晶粒表面、電極與材料之間、以及電極表面等每一部分的等效電阻，i=1，2，3……)。元件阻抗中的電抗分量主要是指容抗部分，可表示為1/jωCi(Ci為元件中材料顆粒本身、材料晶粒表面、電極與材料之間、以及電極表面等每一部分的等效電容，i=1，2，3……)［11］。根據(jù)串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律，在串、并聯(lián)電路中任何一個(gè)元件的電阻(電容)增大，則電路中的總電阻(電容)也隨之增大;反之，任何一個(gè)元件的電阻(電容)減小，則電路中的總電阻(電容)也隨之減小。圖2(a)、2(b)表明，隨著濕度的增大，濕敏材料的電阻減小，電容增大。頻率一定時(shí)，隨著濕度的增大，元件的容抗值1/jωCi減小。因此無論濕敏材料的等效電路是怎樣的，在低頻且ω 大小不變時(shí)，元件的電抗和容抗都隨著濕度的增大而減小，故元件的阻抗模值隨著濕度的增大而減小;在高頻下，電阻值略有增大后減小，而阻抗值保持減小趨勢(shì)，說明容抗部分起決定作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與此結(jié)論吻合，如圖2(c)所示，低頻下阻抗值隨濕度的增加而減小。因此當(dāng)采用較低工作頻率時(shí)，相對(duì)濕度高于40%時(shí)氧化鈦薄膜感濕性能較好，薄膜適于高濕型濕敏元件。

2.2 電學(xué)參數(shù)－頻率特性

圖3 表示不同濕度下薄膜元件的電學(xué)參數(shù)隨頻率變化的特性曲線。如圖3(a)所示，在低濕區(qū)，電阻隨工作頻率增加迅速減小;高濕區(qū)，頻率對(duì)電阻的影響減小，如相對(duì)濕度為97.2%時(shí)，電阻幾乎不發(fā)生變化。如圖3(b)所示，在低濕區(qū)，電容隨頻率增加緩慢減小;高濕區(qū)，電容急劇減小，當(dāng)頻率從10 Hz 增大到100 kHz，頻率增大的數(shù)量級(jí)與電容值減小的數(shù)量級(jí)相差不大，故元件的容抗1/jωCi隨頻率的變化不大，根據(jù)串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律，元件阻抗模值隨頻率的變化主要是由頻率對(duì)電阻分量的影響決定的，與實(shí)驗(yàn)所得曲線相符合:圖3(a)與圖3(c)十分接近。這是因?yàn)?，隨著濕度的增大，電阻分量減小的速率比容抗分量增大的速率快，電阻分量對(duì)阻抗值的貢獻(xiàn)逐漸增大［9，12］。

圖3 電阻、電容、阻抗隨頻率變化關(guān)系曲線

圖3 中濕敏元件的阻值在低濕時(shí)受頻率的影響很大，而在中、高濕時(shí)影響較小。由于外電場(chǎng)的頻率變化對(duì)電子、離子導(dǎo)電幾乎沒有影響，而對(duì)材料的極化影響很大?？梢酝茢啵诘蜐駮r(shí)，不僅少量電子、離子材料參與導(dǎo)電，極化時(shí)電偶極矩的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生等效空間電荷，相當(dāng)于載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，是材料導(dǎo)電的主要的原因之一;隨著濕度的增加，吸收的水分使離子的活化能降低，于是電離出更多的離子作為載流子，此時(shí)，濕敏元件的電阻受頻率影響變?。?3］。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了氧化鈦薄膜濕敏元件電學(xué)參數(shù)，在低濕度(＜40%)時(shí)，電阻、電容以及阻抗變化都不是很明顯，隨著濕度的增加(＞40%)，電阻值、阻抗值減小而電容值增大，變化的幅度與測(cè)試頻率有關(guān)。當(dāng)濕度一定時(shí)，電阻值、電容值都隨頻率的增大而減小。在高濕度時(shí)，元件阻抗模值主要是由電阻分量決定的，且濕敏元件的電阻受頻率影響變小。結(jié)果表明，較低工作頻率，相對(duì)濕度高于40%時(shí)氧化鈦薄膜感濕性能較好，薄膜適于高濕型濕敏元件。

［1］張毅，孫以材，潘國峰.TiO2 系濕敏元件研究和進(jìn)展［J］.傳感器世界，2005(1):11－14.

［2］Singh Sukhvinder，Srinivasa R S，Major S S.Effect of Substrate Temperature on the Structure and Optical Properties of ZnO Thin Films Deposited by Reactive RF Magnetron Sputtering［J］.Thin Solid Films，2007，515(24):8718－8722.

［3］李莉，童茂松，翁愛華.復(fù)合釩鉬酸干凝膠薄膜的制備及其濕敏特性研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18(4):710－713.

［4］劉若望.電極結(jié)構(gòu)對(duì)高分子電阻型濕度傳感器性能的影響［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，29(3):437－440.

［5］Tai W P，Kim J P，Oh J H.Humidity Sensitive Properties of Nanostructured Al-Doped ZnO:TiO2Thin Films［J］.Sensors and Actuators B，2003，96:477－481.

［6］傅剛，陳環(huán)，陳志雄，等.Zn2SnO4-LiZnVO4 系厚膜濕敏元件的制備和性能研究［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2001，7(1):41－44.

［7］侯燕飛，史志銘，宋麗麗，等.鋅離子摻雜的氧化鈦薄膜的濕敏性能研究［J］.電子器件，2007(6):1996－1998.

［8］宋麗麗，李巴津，侯燕飛.基于VB 的濕敏元件電學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)，2007(12):25－27.

［9］應(yīng)皆榮，萬春榮，何培炯.頻率和溫度對(duì)陶瓷濕敏元件感濕特性的影響［J］.無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2000，15(3):461－466.

［10］劉瑩.電阻型濕度傳感器伏安特性測(cè)試及其導(dǎo)電機(jī)理［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27(7):81－84.

［11］王曉華.納米鈦酸鋇濕敏元件的介電特性及感濕機(jī)理研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005:24－60.

［12］張彤，徐寶琨，徐娓，等.用直、交流方法分析高分子電阻型濕敏元件的敏感機(jī)理［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2001(2):129－133.

［13］王兢，吳英奎，萬徽.硅襯底納米鈦酸鋇濕敏元件特性分析［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，43(4):522－526.