电容湿度传感器性能研究

论文摘要

随着湿度在我们日常生活中起着越来越重要的作用,人们对湿敏器件的研究也如火如荼。近年来,由于湿敏电容器具有灵敏度高、响应快、滞后量小、且容易实现小型化和集成化等众多优点而得到了很大的发展。湿敏器件中的半导体氧化物陶瓷与高分子聚合物是应用较广的感湿物质。由于应用领域不同,对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看,同是湿度传感器,材料、结构不同,工艺不同,其性能和技术指标有很大差异。本文以多孔氧化铝和聚酰亚胺作为研究材料,分析了其感湿机理,从电容角度展开研究,对多孔氧化铝进行结构尺寸设计,从孔深孔径出发分析提高灵敏度的方法以及此时单位面积上孔的数目;对于PI高分子湿度传感器感湿结构尺寸进行设计,提出圆环体感湿单元结构,根据传统长方体连续薄膜、圆柱体以及圆环体感湿单元三种结构的归一化电容,对设计器件的响应时间性能进行分析对比。设计结果表明,利用多孔氧化铝孔的深宽尺寸结构,设置孔深比k1以及孔面积比k2两个参数,分析了电容湿度传感器的灵敏度特性,得出了在低频时,当k1接近1,k2接近2.15,孔密度约为8.26*109个/cm2时,湿敏器件可获得较好的灵敏度性能;在高分子聚合物为感湿材料的电容湿度传感器中,设计了水蒸气从内外周扩散的圆环体感湿膜结构,达到减小响应时间的目的。结果表明圆环体感湿单元结构的响应时间仅是传统的长方形连续感湿膜响应时间的1/10,比已有的圆柱体感湿单元结构可降低77.2%,大大降低了器件的响应时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 湿度传感器国外发展现状
• 1.2.2 湿度传感器国内研究现状
• 1.3 课题研究内容与论文结构
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 第2章 传感器技术基础
• 2.1 传感器基本概念
• 2.1.1 传感器的定义与组成
• 2.1.2 传感器的分类
• 2.2 传感器性能指标
• 2.2.1 传感器静态性能分析
• 2.2.2 传感器动态性能分析
• 2.2.3 传感器的标定
• 2.3 传感器的选择和性能改善途径
• 2.3.1 传感器的正确选择
• 2.3.2 改善传感器性能的技术途径
• 2.4 本章小结
• 第3章 湿度传感器
• 3.1 湿敏传感器概念与分类
• 3.1.1 湿度传感器基本概念
• 3.1.2 湿敏传感器分类
• 3.2 湿敏传感器的主要特性参数
• 3.3 本章小结
• 第4章 多孔氧化铝湿度传感器的性能分析与结构优化
• 4.1 多孔氧化铝湿敏器件感湿机理
• 4.1.1 多孔氧化铝湿度传感器结构
• 4.1.2 多孔氧化铝湿度传感器感湿机理
• 4.2 多孔湿度传感器结构优化与性能分析
• 4.2.1 多孔氧化铝湿敏器件结构优化
• 4.2.2 多孔氧化铝湿敏器件灵敏度性能分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 改进的PI电容湿度传感器性能分析与结构设计
• 5.1 PI电容湿度传感器感湿机理
• 5.1.1 高分子电容湿度传感器结构
• 5.1.2 高分子电容湿度传感器感湿机理
• 5.2 PI电容湿度传感器感湿膜改进与性能分析
• 5.2.1 PI电容湿度传感器结构与改进
• 5.2.2 PI电容湿度传感器响应时间性能分析
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文