CN106159035A - 制备紫外光敏传感器的方法及制备得到的紫外光敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备紫外光敏传感器的方法，包括(1)造粒：使氧化锌粉体与粘结剂溶液混合，得到氧化锌颗粒；(2)高压成型：对步骤(1)得到的氧化锌颗粒进行高压成型，从而形成坯体；(3)热处理排胶：对步骤(2)形成的坯体进行热处理，从而形成单一氧化锌块体；(4)印刷电极：在步骤(3)得到的氧化锌块体表面形成至少两个电极。本发明还提供了通过该方法制备得到的紫外光敏传感器。通过本发明的方法制备得到的紫外光敏传感器不仅制备工艺简单，而且由于省去了衬底，采用氧化锌制作紫外光敏传感器，使得紫外光敏传感器具有很好的日盲性，有效地避免了紫外光波段以外的其它波段的光对其产生影响，并且使其制作成本得到了极大的降低。
Description
技术领域
本发明涉及紫外光敏传感器领域，更具体地说，涉及一种制备紫外光敏传感器的方法及制备得到的紫外光敏传感器。
背景技术
氧化锌材料具有3.37eV的禁带宽度，材料电阻只对180nm-365nm波长的紫外光具有响应，对可见光和红外光没有响应，具有很好的“日盲性”。用纯氧化锌材料制造的紫外光敏传感器能很好的避免紫外光波段以外的其它波段光线的干扰，从而有效避免误报警的出现。
现有的日盲型紫外光器件是GaN类和冷阴极管类紫外光敏传感器。GaN类器件主要以GaN为光敏材料，这类器件以成本高昂的GaN作为衬底，同时由于工艺技术的问题，GaN无法形成大面的光敏材料，也限制了该类紫外光器件的受光面积；冷阴极管类产品需要在高电压(220V以上)下才能进行工作，使其工作受到了极大的限制。
而将氧化锌制作在硅类衬底上紫外光敏传感器，虽然具有较好的光响应，但是因为硅本身对光响应，会造成器件对紫外波段以外的其它光响应，产生误报；将氧化锌通过溅射等工艺制作在绝缘衬底上紫外光敏传感器由于其响应速度极慢，因此无法满足紫外光敏传感器的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提出一种制备紫外光敏传感器的方法及制备得到的紫外光敏传感器。与现有的紫外光敏传感器不同，通过本发明的方法制备得到的紫外光敏传感器不仅制备工艺简单，而且由于省去了衬底，采用氧化锌制作紫外光敏传感器，使得紫外光敏传感器具有很好的日盲性，有效地避免了紫外光波段以外的其它波段的光对紫外光敏传感器产生影响，并且由于制作工艺简单、省去了衬底，使得紫外光敏传感器的制作成本得到了极大的降低。
一方面，本发明提供了一种制备紫外光敏传感器的方法，该方法包括：
(1)造粒：使氧化锌粉体与粘结剂溶液混合，得到氧化锌颗粒；
(2)高压成型：对步骤(1)得到的氧化锌颗粒进行高压成型，从而形成坯体；
(3)热处理排胶：对步骤(2)形成的坯体进行热处理，从而形成单一氧化锌块体；
(4)印刷电极：在步骤(3)得到的氧化锌块体表面形成至少两个电极。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(1)中，粘结剂溶液与氧化锌粉体的质量比为1:10-30。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(1)中，先将粘结剂溶解于溶剂中形成粘结剂溶液，再使氧化锌粉体与该粘结剂溶液混合。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(2)中，高压成型所采用的压力大于或者等于90kg/cm2，高压成型保持的时间是5min-10min。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(1)中，粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮时，采用的溶剂是无水乙醇、乙二醇中的一种或多种；或者，
粘结剂是聚乙烯醇或明胶时，采用的溶剂是去离子水。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(1)中，粘结剂溶液的浓度是0.02-0.2g/ml。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(1)中，在氧化锌粉体与粘结剂溶液混合后，通过球磨或者研磨的方法进行造粒，并通过粒度筛选得到氧化锌颗粒。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(1)中，粒度筛选后得到的所述氧化锌颗粒的粒径范围是100-500um。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(3)中，热处理的温度是300-900℃；热处理的时间是30-120min。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(4)中，至少两个电极的间距是0.5-1.5mm。
前述的制备紫外光敏传感器的方法，步骤(4)中，通过丝网印刷工艺在氧化锌块体表面形成至少两个电极。
另一方面，本发明还提供了由上述方法制备得到的紫外光敏传感器。
采用本发明的技术方案，至少具有如下有益效果：与现有的紫外光敏传感器相比，本发明以氧化锌作为紫外光敏传感器的光敏材料，省去了衬底，因此，本发明的紫外光敏传感器具有很好的日盲性，可以有效避免紫外光波段以外的其它波段的光对该紫外光敏传感器的干扰。与现有的紫外光敏传感器相比，本发明的紫外光敏传感器由于制作工艺简单、省去了衬底，使紫外光敏传感器的制作成本得到了极大的降低。此外，通过将氧化锌换成其它材料，本发明的技术方案也可以扩展到诸如气敏、压敏、光敏传感器的应用。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图；
图2是高压成型和热处理排胶的工艺示意图；
图3是本发明的方法制备的紫外光敏传感器的剖面结构示意图；
图4是本发明的方法制备的带有导电管脚的紫外光敏传感器的立体结构示意图；
图5是本发明的方法制备的紫外光敏传感器的紫外响应效果；
图6是本发明的方法制备的紫外光敏传感器的初始紫外响应结果；
图7是本发明的方法制备的紫外光敏传感器的紫外响应耐久测试。
具体实施方式
为充分了解本发明的目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
现有技术中以氧化锌为基础的紫外光敏传感器，通常制作在硅类或者玻璃等绝缘衬底上，但是，因为硅类衬底本身对可见光的响应，而使在硅类衬底上的氧化锌无法实现氧化锌材料宽禁带的优势，无法制作日盲型紫外光敏传感器；而在玻璃等绝缘衬底上的氧化锌的响应速度很慢，无法达到紫外光敏传感器的要求。
本发明提出省去现有的硅类或者绝缘衬底，通过氧化锌粉体成型的方法来制作氧化锌紫外光敏传感器，从而解决现有的带有硅类或者绝缘衬底的氧化锌紫外光敏传感器所存在的问题。本发明的紫外光敏传感器以氧化锌粉体作为原料，首先，通过向氧化锌粉体中添加一定量的粘结剂溶液，充分加压研磨，得到氧化锌颗粒；然后，对前述氧化锌颗粒加压，形成氧化锌坯体；之后，在一定温度下，对前述的氧化锌坯体进行热处理以排出粘结剂溶液，促进氧化锌颗粒之间的结合力，从而形成氧化锌块体；最后，在氧化锌块体的表面形成电极，从而最终形成了氧化锌紫外光敏传感器。采用本发明的方法所制备的紫外光敏传感器由于以宽禁带的氧化锌材料为主体，因此仅对紫外光波段产生响应，避免了紫外光波段以外的其它光对器件的影响，并且由于制备工艺简单、省去了硅类或者绝缘衬底，还大大降低了紫外光敏传感器的制作成本。
一方面，本发明提供了一种制备紫外光敏传感器的方法，下面结合图1和图2，对本发明的方法进行详细说明，该方法包括如下步骤：
(1)造粒
使氧化锌粉体与粘结剂溶液混合，通过球磨、研磨等方法进行造粒，并通过粒度筛选来形成具有一定粒径(粒径范围是100-500um)的氧化锌颗粒21。造粒的目的是使氧化锌粉体与粘结剂溶液均匀混合，以便增强块体成型阶段的颗粒结合力，从而有效地形成具有一定强度的坯体。
粘结剂的类型、含量及分散均匀性会影响到紫外光敏传感器对紫外光的响应效果。本发明的制备方法所采用的粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)或明胶。其中，当所采用的粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)时，其溶剂应当采用无水乙醇、乙二醇中的一种或多种；当所采用的粘结剂是聚乙烯醇(PVA)或明胶时，其溶剂应当采用去离子水。具体地，在造粒时，先使粘结剂溶于溶剂中(优选地，PVP溶于无水乙醇)形成粘结剂溶液，然后使氧化锌粉体与粘结剂溶液混合。粘结剂溶液的浓度通常是0.02-0.2g/ml，优选是0.025g/ml。
(2)高压成型
造粒后，进行高压成型。高压成型的目的是将造粒后的氧化锌颗粒21塑形成所需的形状。具体地，通过等静压、热注塑等高压成型方法在一定模具内对氧化锌颗粒加压以形成相应的形状。
其中，模具的形状可以为长方体、正方体、圆柱体等形状，本领域技术人员可以根据设计的紫外光敏传感器的形状来选择模具的形状，此处不做限定，图2示出了圆柱体形状的模具22。
高压成型的压力大小以及压力均一性会影响紫外光敏传感器对紫外光的响应效果。优选地，高压成型所采用的压力大于或者等于90kg/cm2，高压成型保持的时间是5min-10min，由此可以使氧化锌颗粒21之间形成有效的粘结，从而使形成的坯体23具有较好的机械强度。
(3)热处理排胶
在高温炉24内，在特定的温度和升温程序下，通过使上述高压成型的坯体23进行高温热氧化，从而促使坯体23内的粘结剂溶液燃烧氧化而排出坯体，最终形成单一的、具有一定强度的氧化锌块体25。
热处理排胶的目的是通过高温处理，挥发排除坯体23内的粘结剂溶液，保证块体内只是氧化锌材料而没有高分子粘结剂溶液存在，同时还能够增加氧化锌颗粒之间的结合力，并增加块体强度。热处理温度、时间以及粘结剂溶液的排出效果会影响紫外光敏传感器对紫外光的响应效果。本发明控制升温速度在5℃/min-10℃/min，热处理温度是300-900℃(优选是500℃)，热处理的时间是30-120min(优选是120min)。
(4)印刷电极
排胶完成后，形成的氧化锌块体25随炉冷却至室温，使用细砂纸(例如800目(泰勒筛)细砂纸)对氧化锌块体25表面进行处理，然后通过丝网印刷工艺在氧化锌块体表面制作至少两个电极。
印刷电极的目的是通过在氧化锌块体表面形成至少两个电极，形成良好的欧姆接触，从而有效的在紫外光敏传感器两端加载工作电压，并有效输出紫外光敏传感器对紫外光的电流变化。电极种类、电极与氧化锌块体的结合情况以及电极间距会影响紫外光敏传感器的紫外光响应效果。
本发明采用的电极可以是铟锡氧化物电极、银纳米线膜电极，也可以是金属或合金电极，如银浆电极、金电极、铜镍合金电极等。
进一步地，至少两个电极可以全部位于氧化锌块体的同一侧表面，也可以位于氧化锌块体的两侧表面，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。当至少两个电极全部位于氧化锌块体的同一侧表面时，电极之间的间距是0.5-1.5mm，优选是1mm；当至少两个电极位于氧化锌块体的两侧表面时，应当保证紫外光能够照射到氧化锌块体上。
下面以至少两个电极为第一电极和第二电极为例进行详细说明。当第一电极和第二电极位于氧化锌块体的同一侧表面时，第一电极与第二电极之间的间距是0.5-1.5mm，优选是1mm；当第一电极和第二电极分别位于氧化锌块体的两侧表面时，可以采用丝网印刷工艺分别在氧化锌块体的两侧表面的整个区域或者部分区域上设置第一电极和第二电极，但是，无论采用何种设置方式，都必须保证紫外光能够照射到氧化锌块体上。
进一步地，为了更加容易地使上述制备出的紫外光敏传感器与外部电路进行连接，还可以在上述至少两个电极干燥后，再在电极上粘附引出导电线或导电管脚作为电极与外部电路进行连接。
另一方面，本发明还提供了采用上述方法制备得到的紫外光敏传感器。下面结合图3和图4，对本发明的紫外光敏传感器进行说明。
本发明的紫外光敏传感器为无基底紫外光敏传感器，其包括氧化锌感应层(即为上述的氧化锌块体)以及第一电极和第二电极。其中，氧化锌感应层用于探测紫外光；第一电极和第二电极互不接触，作为无基底紫外光敏传感器的电信号输出端。
如图3所示，第一电极31和第二电极32可以位于氧化锌感应层33的同一侧表面，两电极之间保持一定的距离，例如0.5-1.5mm，优选是1mm。可选地，第一电极和第二电极也可以分别位于氧化锌感应层的两侧表面，此时，应当保证紫外光能够照射到氧化锌感应层上。
进一步地，为了更加容易地使紫外光敏传感器与外部电路进行连接，还可以在电极上粘附引出导电线或导电管脚作为电极与外部电路进行连接，具体地，如图4所示，第一电极和第二电极位于紫外光敏传感器41的氧化锌感应层42(即为上述的氧化锌块体)的同一侧表面，为了更加容易地使紫外光敏传感器41与外部电路进行连接，还可以在第一电极和第二电极上分别粘附引出第一导电管脚43和第二导电管脚44作为第一电极和第二电极与外部电路进行连接，(由于第一电极和第二电极被第一导电管脚43和第二导电管脚44覆盖，故在图4中无法示出)。
相比于现有技术中的紫外光敏传感器，通过本发明的方法制备得到的紫外光敏传感器不仅制备工艺简单，而且由于省去了衬底，采用氧化锌制作紫外光敏传感器，使得紫外光敏传感器具有很好的日盲性，有效地避免了紫外光波段以外的其它波段的光对紫外光敏传感器产生影响，并且由于制作工艺简单、省去了衬底，使得紫外光敏传感器的制作成本得到了极大的降低。
下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。实施例中所使用的各种制剂、物质，均为常规市购得到。
实施例1
本实施例的制备紫外光敏传感器的方法如下：
(1)造粒
以PVP为粘结剂，将0.5g的PVP溶解在20ml无水乙醇中，充分搅拌溶解得到浓度为0.025g/ml的PVP无水乙醇溶液。将PVP无水乙醇溶液滴加到10g ZnO(氧化锌)粉体内(PVP粘结剂溶液与ZnO粉体的质量比为1:20)，并于研钵内充分加压研磨，形成ZnO颗粒后，再通过泰勒筛进行筛分得到粒径为300um的ZnO颗粒，将该ZnO颗粒作为原料。
(2)高压成型
将原料ZnO颗粒添加到成型模具内，通过油压机施加90kg/cm2的力，并保持10min。
(3)热处理排胶
成型后的坯体在高温煅烧炉内加热，按10℃/min的升温速度，升温至500℃，并保温120min，从而促使坯体内的PVP粘结剂溶液燃烧氧化而排出坯体，形成单一ZnO块体。
(4)印刷电极
排胶完成后，ZnO块体随炉冷却至室温。通过800目细砂纸处理块体表面，通过丝网印刷工艺在块体表面制作两个银浆电极，两个电极间距为1mm，从而形成紫外光敏传感器件。另外，为了更加容易地使上述制备出的紫外光敏传感器与外部电路进行连接，在两个银浆电极干燥后，再在两个银浆电极上粘附引出两个导电管脚作为电极与外部电路进行连接，如图4所示。
紫外光敏传感器以电化学工作站(CHI660E，上海辰华仪器)来量测传感器的电流--时间变化，如图5所示。传感器对于紫外光有灵敏的响应，初始响应在1s内的光电流达到2.12e-4A，暗电流为6.56e-6A，光暗电流比值为32(如图6所示)。传感器对于绿光，蓝光，红光没有可侦测到的响应。传感器在紫外光照射下进行耐久性测试，其光暗电流均为稳定值(如图7所示)。
实施例2
本实施例的制备紫外光敏传感器的方法如下：
(1)造粒
以PVP为粘结剂，将1.5g的PVP溶解在25ml无水乙醇和50ml乙二醇中，充分搅拌溶解得到浓度为0.02g/ml的PVP粘结剂溶液。将PVP粘结剂溶液滴加到30g ZnO粉体内(PVP粘结剂溶液与ZnO粉体的质量比为1:20)，并于研钵内充分加压研磨，形成ZnO颗粒后，再通过泰勒筛进行筛分得到粒径为100um的ZnO颗粒，将该ZnO颗粒作为原料。
(2)高压成型
将原料ZnO颗粒添加到成型模具内，通过油压机施加120kg/cm2的力，并保持5min。
(3)热处理排胶
成型后的坯体在高温煅烧炉内加热，按5℃/min的升温速度，升温至300℃，并保温120min，从而促使坯体内的PVP粘结剂溶液燃烧氧化而排出坯体，形成单一ZnO块体。
(4)印刷电极
排胶完成后，ZnO块体随炉冷却至室温。通过800目细砂纸处理块体表面，通过丝网印刷工艺在块体表面制作两个银浆电极，两个电极间距为1.5mm，从而形成紫外光敏传感器件。另外，为了更加容易地使上述制备出的紫外光敏传感器与外部电路进行连接，在两个银浆电极干燥后，再在银浆电极上粘附引出两个导电线作为电极与外部电路进行连接。
紫外光敏传感器以电化学工作站(CHI660E，上海辰华仪器)量测传感器的电流--时间变化。传感器对于紫外光有灵敏的响应，初始响应在1s内的光电流达到7e-5A，暗电流为7.8e-6A，光暗电流比值为9。传感器对于绿光，蓝光，红光没有可侦测到的响应。传感器在紫外光照射下进行耐久性测试，其光暗电流均为稳定值。
实施例3
本实施例的制备紫外光敏传感器的方法如下：
(1)造粒
以PVA为粘结剂，将10g的PVA溶解在50ml去离子水中，搅拌充分溶解得到浓度为0.2g/ml的PVA粘结剂溶液。将PVA粘结剂溶液滴加到100gZnO粉体内(PVA粘结剂溶液与ZnO粉体的质量比为1:10)，并于研钵内充分加压研磨，形成ZnO颗粒后，再通过泰勒筛进行筛分得到粒径为500um的ZnO颗粒，将该ZnO颗粒作为原料。
(2)高压成型
将原料ZnO颗粒添加到成型模具内，通过油压机施加150kg/cm2的力，并保持5min。
(3)热处理排胶
成型后的坯体在高温煅烧炉内加热，按8℃/min的升温速度，升温至900℃，并保温30min，从而促使坯体内的PVA粘结剂溶液燃烧氧化而排出坯体，形成单一ZnO材料块体。
(4)印刷电极
排胶完成后，ZnO材料块体随炉冷却至室温。通过800目细砂纸处理块体表面，通过丝网印刷工艺在块体表面制作两个金电极，两个电极间距为0.5mm，从而形成紫外光敏传感器件。另外，为了更加容易地使上述制备出的紫外光敏传感器与外部电路进行连接，在两个金电极干燥后，再在两个金电极上粘附引出两个导电管脚作为电极与外部电路进行连接，如图4所示。
紫外光敏传感器以电化学工作站(CHI660E，上海辰华仪器)量测传感器的电流--时间变化。传感器对于紫外光有灵敏的响应，初始响应在1s内的光电流达到2.2e-4A，暗电流为6.56e-6A，光暗电流比值为30。传感器对于绿光，蓝光，红光没有可侦测到的响应。传感器在紫外光照射下进行耐久性测试，其光暗电流均为稳定值。
实施例4
本实施例的制备紫外光敏传感器的方法如下：
(1)造粒
以明胶为粘结剂，将1g的明胶溶解在50ml去离子水中，搅拌充分溶解得到浓度为0.02g/ml的粘结剂溶液。将粘结剂溶液滴加到30g ZnO粉体内(明胶粘结剂溶液与ZnO粉体的质量比为1:30)，并于研钵内充分加压研磨，形成ZnO颗粒后，再通过泰勒筛进行筛分得到粒径为200um的ZnO颗粒，将该ZnO颗粒作为原料。
(2)高压成型
将原料ZnO颗粒添加到成型模具内，通过油压机施加90kg/cm2的力，并保持10min。
(3)热处理排胶
成型后的坯体在高温煅烧炉内加热，按10℃/min的升温速度，升温至600℃，并保温80min，从而促使坯体内的粘结剂溶液燃烧氧化而排出坯体，形成单一ZnO块体。
(4)印刷电极
排胶完成后，ZnO块体随炉冷却至室温。通过800目细砂纸处理块体表面，通过丝网印刷工艺在块体表面制作两个铜镍合金电极，两个电极间距为1mm，从而形成紫外光敏传感器件。
紫外光敏传感器以电化学工作站(CHI660E，上海辰华仪器)量测传感器的电流--时间变化。传感器对于紫外光有灵敏的响应，初始响应在1s内的光电流达到7.2e-5A，暗电流为7.9e-6A，光暗电流比值为9。传感器对于绿光，蓝光，红光没有可侦测到的响应。传感器在紫外光照射下进行耐久性测试，其光暗电流均为稳定值。
Claims (12)
1.一种制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)造粒：使氧化锌粉体与粘结剂溶液混合，得到氧化锌颗粒；
(2)高压成型：对步骤(1)得到的所述氧化锌颗粒进行高压成型，从而形成坯体；
(3)热处理排胶：对步骤(2)形成的所述坯体进行热处理，从而形成单一氧化锌块体；
(4)印刷电极：在步骤(3)得到的所述氧化锌块体表面形成至少两个电极。
2.根据权利要求1所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述粘结剂溶液与所述氧化锌粉体的质量比为1:10-30。
3.根据权利要求1或2所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中，先将粘结剂溶解于溶剂中形成所述粘结剂溶液，再使所述氧化锌粉体与所述粘结剂溶液混合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高压成型所采用的压力大于或者等于90kg/cm2，所述高压成型保持的时间是5min-10min。
5.根据权利要求3或4所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮时，采用的所述溶剂是无水乙醇、乙二醇中的一种或多种；或者，
所述粘结剂是聚乙烯醇或明胶时，采用的所述溶剂是去离子水。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述粘结剂溶液的浓度是0.02-0.2g/ml。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中，在所述氧化锌粉体与所述粘结剂溶液混合后，通过球磨或者研磨的方法进行造粒，并通过粒度筛选得到所述氧化锌颗粒。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中，粒度筛选后得到的所述氧化锌颗粒的粒径范围是100-500um。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述热处理的温度是300-900℃；所述热处理的时间是30-120min。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述至少两个电极的间距是0.5-1.5mm。
11.根据权利要求1-10任一项所述的制备紫外光敏传感器的方法，其特征在于，步骤(4)中，通过丝网印刷工艺在所述氧化锌块体表面形成所述至少两个电极。
12.一种紫外光敏传感器，其特征在于，采用权利要求1-11任一项所述的方法制备得到。
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