CN102639993A - 应用阳极氧化铝膜的快速响应的相对湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米结构氧化铝薄膜的快速响应的相对湿度传感器。该传感器的主体是在铝基底上形成的厚度大约为2-20μm的阳极氧化铝薄膜，该铝基底用作一个电极，而在阳极氧化铝薄膜上形成的大约为20-200nm厚的多孔金属层用作第二个电极。该氧化铝薄膜包括直径大约为10-100nm的纳米级通道，用以形成灵敏度高和响应时间短的电容式相对湿度传感器。升高温度的热处理会改善电容与湿度曲线的线性度，提供全范围的湿度感测范围。对该湿度传感器，滞后现象和老化现象可以忽略。

Description

应用阳极氧化铝膜的快速响应的相对湿度传感器

技术领域

本发明涉及阳极氧化铝薄膜传感器，更具体地，涉及基于纳米结构的氧化铝薄膜材料的、快速响应的电容式相对湿度传感器。

背景技术

湿度传感器应用广泛，例如其可用于气象站，空调，家用电器和办公电器，以及工业仪器，等等。对于电子型相对湿度传感器来说，基于聚合体的湿度传感器因其成本低和制造工艺成熟而垄断了市场。而对于高性能的湿度传感器来说，基于半导体材料的传感器和基于陶瓷材料的传感器则更常使用。

阳极多孔氧化铝(AAO)膜(在酸性溶液中阳极氧化的铝箔)是公知用于制造湿度传感器的陶瓷材料。第一个铝基底上的对于湿度敏感的阳极氧化铝层于1953年见诸报道，其发现该结构的电容随着相对湿度增加。自1978年规则的蜂巢结构的氧化铝材料发展起来，基于氧化铝的对湿度敏感的材料也引起了愈来愈多的关注。针对基于该新颖的纳米结构材料而开展的高性能和可靠的传感器的研究非常热门。

通过阳极氧化产生保护性AAO层是成熟技术，例如，应用在像窗口框架这类的铝结构材料上产生保护性AAO层。但是，用于产生保护性AAO应用的阳极氧化技术不适于直接用产生基于AAO的湿度传感器。AAO薄膜的湿度响应在很大程度上取决于阳极氧化参数。例如，现有的湿度传感器具有的电容与湿度的响应经常是非线性的，其在低或高湿度中具有“平坦”的响应；该传感器不能在全湿度范围中工作。湿度传感器的长期稳定是另一个主要关心的问题；当现有的AAO传感器暴露在高湿度的环境下会老化。过往针对现有的湿度传感器的技术问题的各种解决方案多基于复杂的结构设计和/或制造过程，这导致在商业生产中产生不能接受的制造成本。因此，仅在基于阳极氧化铝形成绝对湿度传感器领域取得有限的进展。

综上所述，在本领域中，需要一种基于阳极氧化铝的、低成本的、快速响应的湿度传感器，其电容与湿度的响应基本成线性，并可以测量全范围的湿度条件。

发明内容

本发明提供了一种简单、低成本、和可靠的加工过程，用于制造基于阳极氧化铝薄膜的稳定、快速响应以及全范围的湿度传感器。阳极氧化铝膜包含纳米级通道，通过调节阳极氧化的条件，该通道具有完全可控的孔直径(从几纳米至几百纳米)、孔深度以及孔密度。在该多孔结构的扩展的表面区域中，可以实现高湿度灵敏度和快速响应。并且，阳极氧化铝薄膜是热稳定和化学稳定的，可以形成甚至在苛刻环境中也可使用的稳定的湿度传感器。

附图说明

图1：基于阳极氧化铝薄膜的电容式湿度传感器的示意性侧视图。

图2：基于阳极氧化铝薄膜的电容式湿度传感器的制造过程的流程图。

图3：根据本发明一个实施例的湿度传感器。

图4：根据本发明再一实施例的湿度传感器。

图5：对于本发明的基于AAO的湿度传感器来说，在温度5℃，20℃，35℃，50℃时电容与湿度的曲线。

图6A和6B：基于AAO的湿度传感器在热处理之前和之后，在20℃时测量的电容与湿度的曲线。

具体实施方式

详细转到附图，本发明的实施例示出了应用阳极氧化铝薄膜的电容式湿度传感器。图1是传感器的示意图。各种元件彼此不是按比例示出。

传感器的主体是阳极氧化铝(AAO)薄膜120，其厚度为大约2-20μm。AAO膜120夹在厚度大约为20-200nm顶金属层电极130和作为另一电极的铝基底110之间。AAO薄膜包括直径大约为10-100nm的纳米级通道。在工作中，水蒸汽被吸入在AAO膜的通道表面上，改变AAO膜的电容。通过细致控制纳米结构膜的厚度和其中通道的尺寸可以由纳米级通道提供了很大的表面区域，从而产生快速响应湿度传感器。

参照图2的流程图，接下来勾勒出本发明的湿度传感器的制造过程。下述过程的条件是用于形成图2的特殊尺寸的示例性条件。

在步骤201，原始材料是厚度为0.6mm的铝片。为了产生电容式湿度传感器的恰当形状，铝片被压成图3中示出的形状。

作为替换，在步骤201，原始材料是厚度为0.8mm的铝片，并被压成图4中示出的形状。

在步骤202中，对步骤201中构造的铝模板进行阳极氧化。在一个示例性实施例中，形成具有通道且厚度为15μm的膜，其中该通道的直径为40nm。对于该尺寸的膜来说，在20℃的0.3M草酸中进行阳极氧化。电流密度保持在4A/dm²，电压保持在大约30V。对于15μm的膜来说，使用4小时阳极氧化时间。阳极氧化之后，在水中冲洗传感器平板，以去除酸的残留，然后在提高温度的环境中干燥。

为了制造湿度传感器，通道直径的范围优选是10至100nm，厚度是2-20μm。这可以通过改变酸的组分和浓度，以及调整电流密度和工作温度和时间来调节。典型地，电压越高导致通道直径越大，而阳极氧化的氧化铝的厚度通常由阳极氧化的时间确定。阳极氧化的技术通常分为恒电位阳极氧化技术和恒电流阳极氧化技术。在恒电位阳极氧化中，通过整个阳极氧化层，实现更均匀的通道尺寸。但是，电流密度和氧化铝的增长率随时间下降。在恒电流阳极氧化中，虽然电压和孔直径随着阳极氧化的时间增加，但是氧化铝以较为均匀的速率增加。可以顺序使用这些技术的组合，以实现所需的膜层结构和商业上可接受的处理时间。

图3示意性描绘了一种实施例的湿度传感器结构的侧视图，其中310是未经阳极氧化的铝基底，320是铝基底310上部的阳极氧化的氧化铝，330是在AAO和铝基底上形成的可渗透的金属层。可渗透的金属层可以是多孔的金属层，例如是覆盖在通道边缘顶部并允许水蒸气渗透至AAO层的多孔的铝金属层。

图4示意性描绘了另一种实施例的湿度传感器结构的侧视图。410是未经阳极氧化的铝基底，420是在铝基底410的上部形成的AAO，430是AAO层420和铝基底410上部的可渗透金属层，440是通过弹簧触点或导电胶附着至传感器的可焊接的电极管脚。

为了制造图3和4的湿度传感器，仅有图3中的区域320和330以及区域420和430需要阳极氧化层。区域310和410必须是导电的以用作电极。这可以由不同的方法实现：

i)在阳极氧化期间，遮蔽区域310和410(例如，保护性覆盖)，或者在阳极氧化期间，避免区域310和410接触酸性溶液；

ii)阳极氧化整个模板结构(即，在没有电极440时，图3和4的整个形状)，随后从区域310和410去除阳极氧化层；或者

iii)阳极氧化整个模板并在区域310和410上沉积金属层，并在沉积的金属层和铝基底之间产生接触。

可渗透金属层330和430优选由这些区域中AAO层的表面上的沉积物形成。导电层的厚度优选为20-200nm。导电层优选是相同的材料，例如金或铝。例如，可以通过溅射镀膜制造该沉积物。如上所述，由于AAO层本身是多孔的，沉积的金属层将覆盖多孔通道的边缘，导致金属层渗透入湿气。

由于图3和图4中仅区域330和430由导电层覆盖，因此在导电层沉积期间，区域310和320以及区域410和420可以被遮蔽或掩膜。

为了实现本发明湿度传感器具有更线性的响应，图3和4的结构在上述金属沉积过程后需进行热处理。示例性的热处理条件如下列出：

i)该结构在90％相对湿度下85℃温度时退火5-50小时；或者

ii)该结构在干燥空气中，在90℃温度时退火5-50小时；或者

iii)该结构在100℃的温度的沸水中浸泡10-100分钟。

对于图3的实施例来说，制成的传感器利用区域310(裸铝管脚)和330(铝基上的AAO上的金属管脚)作为两个电极。图3的结构可以作为对湿度敏感的电容器直接插入电路。

对于图4的实施例来说，两个外部管脚440组装为如图示的结构，作为湿度传感器的电极。两个管脚通过弹簧触点或导电胶附着至该结构，其中一个管脚与区域410(裸铝区)接触，另一管脚与区域430(铝基上的AAO上的金属区域)接触，用作两个电极。两个管脚选择性地由可焊接金属或金属合金，例如黄铜和锡制造。上述所制成的器件可插入或焊入电路，作为对湿度敏感的电容器。

在制造基于AAO的相对湿度传感器(图2)的示例性过程中，主要过程包括：构造铝模板(201)，阳极氧化(202)，电极沉积(203)，热处理(204)，以及管脚组装(205，可选)。

图3和4中简单的模板设计使得最终的湿度传感器的生产具有高生产率和低制造成本。在批量生产中，可因应阳极氧化、电极沉积和热处理的设备具体情况定制模板设计，从而实现高效、简易的生产流程。

本发明利用阳极氧化铝薄膜作为感测元件。阳极氧化铝薄膜包含纳米级通道，其中通过调整阳极氧化的条件使得该纳米级通道具有完全可控的孔的直径、深度和密度。例如，图5是从下述传感器获得，其中该传感器具有孔直径大约为40nm、深度大约为15μm纳米级通道。图5的电容与湿度曲线分别在5℃、20℃、35℃和50℃测量。作为本发明的加工过程的结果，该曲线在0-100％相对湿度的全湿度范围内表现出近似线性的响应。在20℃和60％相对湿度的情况下，典型电容是165pF。

通过增加AAO膜的有效的感测面积或者降低AAO膜的厚度，可以提高本发明的传感器的灵敏度。响应时间主要由纳米通道的孔的尺寸确定。例如，对于具有孔直径大约是40nm的纳米级通道的传感器，在湿度范围是30-90％相对湿度时，响应时间小于1秒。对于下述另一传感器来说，其中该传感器具有孔直径小于10nm的纳米级通道，在湿度范围是30-90％相对湿度时，响应时间约是6秒。

热处理提高了传感器的性能。如图6A所示，热处理之前制造的传感器表现出非线性的响应。在低于30％相对湿度的平坦的相对湿度区域中，读取的电容几乎相同。因此，该设备的湿度感测范围限制在大约30-100％相对湿度内。对于图6B中示出的热处理之后的相同的传感器来说，电容响应变得更低。但是，电容与湿度曲线在0-100％相对湿度的全湿度范围内表现出近似于线性的响应。此外，根据本发明制造的传感器，滞后现象可以忽略。

热处理也提高了传感器的稳定性。热处理后的传感器在温度低于50℃、湿度低于90％相对湿度下正常工作大约一年时，其仍保持了相同的电容与湿度的响应。而没有经过热处理的传感器较不稳定，并且在高湿度的条件下会快速老化。

工业实用性

与之前的AAO湿度传感器相比，根据本发明制造的传感器集以下特征于一身：(1)有竞争力的灵敏度和响应时间，(2)在0-100％相对湿度的全湿度范围中工作，(3)相对长期的稳定性，以及(4)低成本的简单的制造过程。其适合于批量生产，且应用广泛，例如在空调系统，加湿器，去湿器的应用，诸如退火处理所需要精确湿度控制的工业过程的应用，以及用于天气预报的环境湿度的测量的应用，等等。

Claims (11)

1.一种电容式湿度传感器，其具有基本线性的响应并能够在0-100％相对湿度的全范围内检测相对湿度，所述湿度传感器包括：

铝基底，所述铝基底形成所述电容式湿度传感器的一个电极；

至少由所述铝基底的一部分形成的阳极氧化铝薄膜，所述阳极氧化铝薄膜在铝基底的一部分上形成的厚度为2-20μm，所述阳极氧化铝膜具有从周边环境中吸收水蒸汽的多通道结构，所述通道直径为10-100nm；以及

在所述阳极氧化铝膜的一部分上形成的多孔金属层，其中该阳极氧化铝膜在铝基底上形成，所述多孔金属层形成所述电容式湿度传感器的第二电极，所述铝基底、阳极氧化铝薄膜和多孔金属层经过热处理，以产生基本线性的湿度与电容传感器的响应。

2.如权利要求1所述的电容式湿度传感器，具有小于1秒的响应时间。

3.如权利要求1所述的电容式湿度传感器，进一步包括从铝基底和多孔金属层延伸的金属电极管脚。

4.如权利要求1所述的电容式湿度传感器，其中所述铝基底是平板型的并具有两个从所述铝基底延伸出的整体形成的电极腿，一个电极腿包括未经阳极氧化的铝，另一个电极腿包括阳极氧化的铝，其中所述阳极氧化的铝具有其上形成的多孔金属层。

5.如权利要求1所述的电容式湿度传感器，其中所述铝基底是平板型的，所述铝基底具有从铝基底的未经阳极氧化的部分延伸的附加的电极腿以及从铝基底的阳极氧化的部分延伸的另一附加的电极腿，其中所述铝基底的阳极氧化的部分具有在其上形成的多孔金属层。

6.一种用于制造如权利要求1所述的电容式湿度传感器的方法：

由铝基底形成铝模板；

对于至少一部分铝模板进行阳极氧化；

在至少一部分阳极氧化的铝模板上沉积多孔金属膜；以及

对得到的多层结构进行热处理，以产生湿度与电容的响应基本成线性的湿度传感器。

7.如权利要求6所述的方法，其中在草酸、或硫酸、或磷酸、或硝酸、或其混合物中进行阳极氧化。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述多孔金属膜是铝、或铜、或金、或铂、或钯、或镍铬合金。

9.如权利要求6所述的方法，其中所述热处理包括在90％相对湿度下，在温度85℃处退火5-50小时。

10.如权利要求6所述的方法，其中所述热处理包括在干燥空气中，在温度90℃处退火5-50小时。

11.如权利要求6所述的方法，其中所述热处理包括在温度100℃的沸水中浸泡10-100分钟。

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