基于钛酸钠的湿度传感器的研究

【摘要】在科技发展日新月异和人们生活水平逐步提高的今天，湿度传感器在各个领域有着越来越多的发展和革新。湿度传感器主要的改革在于优化湿敏材料和研发不同功能、原理、结构的传感器，而改革的目的在于湿度传感器的各项参数和性质的提高。水在湿敏材料表面的吸附主要分为化学吸附和物理吸附，而材料表面电导的改变将极大改变材料的整体阻抗。因此，对于湿敏材料，更关注的是材料的表面特性，即一个大的比表面积可以提供与水的更多的接触空间，有效面积上更多的金属点、缺陷、尖端等可以为水的化学吸附过程提供更大的静电驱动力，分子结构如果存在孔道、疏松特征更容易使水快速吸附、扩散等，一维纳米结构材料与其他非纳米材料相比可以增加材料的敏感特性，而对于一维纳米材料的开发目前成为研究热点。所以，本论文对于一维纳米结构钛酸钠和有孔道结构的磷酸铝分子筛进行了湿敏特性的研究。在第二章和第三章，采用水热法（溶剂热法）合成了Na2Ti3O7纳米线、Na2Ti3O7纳米管、Na2Ti6O13纳米棒三种钛酸盐一维纳米结构材料并表征、而且制成了湿度传感器。通过对比三种不同钛酸钠一维纳米材料，得出了三种相似却不同湿敏特性的结果。Na2Ti3O7纳米线湿度传感器的阻抗的变化范围最小（4个数量级）Na2Ti3O7纳米管和Na2Ti6O13纳米棒湿度传感器的阻抗变化范围是（5个数量级），Na2Ti6O13纳米棒湿度传感器的感湿特性曲线的线性关系最好。湿滞回环曲线的表现是Na2Ti3O7纳米管和Na2Ti6O13纳米棒湿度传感器较好，都小于3%。Na2Ti6O13纳米棒湿度传感器响应恢复特性最好，响应恢复时间都小于2s，而Na2Ti3O7纳米线湿度传感器的响应恢复时间为4~5s，Na2Ti3O7纳米管湿度传感器的响应恢复时间分别为5s和2s。通过对比我们发现，Na2Ti6O13纳米棒湿度传感器的综合特性最好。另外我们还以Na2Ti6O13纳米棒湿度传感器为例分析了感湿机理，对于每个湿度（总共6个）下的复阻抗图曲线从电介质极化角度和等效电路分析了感湿的极化方式和导电粒子类型，并得出了结论：钛酸钠一维纳米结构在各个湿度条件下的主要导电粒子分别为：①低湿度阶段：H+跳跃导电；②中湿度阶段：H3O+；③高湿度阶段：钠离子和Grothuss机制下的离子（质子）导电H+；而材料本身的电子位移极化和离子位移极化在所有过程中均存在，即材料本身电偶极子参与所有导电过程。在第四章，采用水热法（溶剂热法）合成了AlPO4-5分子筛及湿度传感器，测试的结果是阻抗变化范围是3个数量级，湿滞回环小于3%，响应恢复时间都为2~3s，结果是制备出了响应恢复特性较好的湿度传感器。最后简要分析了感湿机理：AlPO4-5分子筛的孔穴结构的特殊性，使得其对于水分子的吸附的感湿机理与其他感湿材料有着区别。水分子进入AlPO4-5分子筛孔道首先是进入6元环，然后进入12元环，并通过“毛细凝聚”的机理在12元环中聚集形成了两个螺旋状的结构，在高湿情况下，这个结构有冰结构的特征。
【作者】张宇鹏；
【导师】刘大力；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】湿度传感器；钛酸钠；磷酸铝分子筛；感湿机理；一维纳米材料；响应恢复特性；

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