CN115753910A - 一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。所述的湿敏传感器制备工艺主要包括切割抛光清洗工艺，微弧氧化工艺，阳极氧化工艺，高温退火工艺，磁控溅射工艺以及引出电极工艺。所述湿敏传感器是在厚度为1mm左右的铝基底上氧化生成微米厚的感湿氧化铝薄膜，该传感器的主体结构是以铝基底作为下电极，以铝基底上生成的氧化铝薄膜作为感湿薄膜，以氧化铝薄膜上制备的金属薄膜为上电极。本发明所制备的湿敏传感器具有较好的灵敏度和长期稳定性。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器及其制备方法。
背景技术
湿敏传感器可以用于对空气环境的湿度监测，在社会生活中的各个领域都具有很重要的作用，例如农业生产，气象检测和医疗行业等。
目前，在湿度传感器制备领域中，阻容法是应用比较广泛的方法，其主要原理是利用湿度改变湿敏材料的电学参数，然后通过对电学参数的测量来得到湿度值。
阻容法制备湿敏传感器的材料种类众多，以Al2O3材料制备的湿敏传感器具有较好的感湿特性，孔径大小易于控制，稳定性良好以及生产工艺成本低等特点，目前在湿敏传感器制备领域应用广泛。对于Al2O3湿敏薄膜的制备，目前的主要技术工艺有阳极氧化法，溶胶凝胶法以及微弧氧化法。
阳极氧化法制备的多孔Al2O3薄膜一般含有较多的γ-Al2O3和无定型Al2O3，含有较多该成分的器件在长时间的使用过程中，经过水分子多次重复的吸附和解吸附作用，会导致严重的漂移现象的产生。溶胶凝胶法制备Al2O3薄膜过程中经过高温热处理后可获得性能稳定的α-Al2O3，但是制备得到的Al2O3薄膜表面形貌主要为凹坑，而非较深的孔洞，因此该方法制备的Al2O3薄膜对水分子的吸附性能较差。微弧氧化工艺制备的多孔Al2O3薄膜以α-Al2O3为主，具有长期稳定性，具备较大的比表面积，灵敏度和重复性等性能比较优异。
发明内容
本发明通过改进现有工艺的不足，基于微弧氧化工艺，提供一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器及其制备方法。
为解决上述技术工艺问题，本发明提供一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，包括下电极基底，所述的下电极基底上制备有湿敏薄膜，所述的湿敏薄膜上制备有金属上电极，所述的下电极基底的表面设置有下电极导线，所述的下电极基底和下电极导线通过下电极导电银胶相连，所述的金属上电极上设置有上电极导线，所述的金属上电极和所述的上电极导线通过上电极导电银胶连接。
所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其下电极基底的材料为铝基底。
所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其湿敏薄膜的材料为氧化铝薄膜。
所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其金属上电极的材料为铝，铜，金或者铂电极。
进一步的，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其制备方法包括以下步骤：
对纯度为99.99％的高纯铝片进行切割，抛光以及清洗。
对切割抛光清洗处理后的铝片进行微弧氧化工艺，制备得到氧化铝薄膜。
对微弧氧化工艺处理后的氧化铝薄膜进行阳极氧化工艺。
对阳极氧化工艺处理后的氧化铝薄膜进行高温退火工艺。
对高温退火工艺处理后的氧化铝薄膜进行磁控溅射工艺，在氧化铝薄膜表面制备得到金属上电极。
对磁控溅射工艺制备电极后的氧化铝薄膜湿敏传感器进行电极的引出。
作为优选，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其切割抛光清洗工艺为：将铝片按照设计的尺寸进行切割，放入抛光机中进行固定，使用不同目数的砂纸进行抛光，抛光至表面光滑后进行清洗和干燥处理。
作为优选，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其微弧氧化工艺为：以下电极铝基底为阳极，在恒定电流150mA下通过熔融的NaHSO4和KHSO4混合液进行微弧氧化，微弧氧化时间60s，制备氧化铝薄膜。
作为优选，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其阳极氧化工艺为：以氧化铝薄膜作为阳极，在恒定电压70V下通过草酸溶液进行阳极氧化，阳极氧化时间为20min。
作为优选，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其高温退火工艺为：将制备好的氧化铝薄膜置入恒温箱中进行退火，退火温度为300℃，退火时间为2h。
作为优选，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其磁控溅射制备金属上电极工艺为：将清洁干燥的氧化铝薄膜同掩膜版进行固定，采用铝靶进行射频磁控溅射，溅射功率为150W，溅射时间为8min。
作为优选，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其引出电极工艺为：对上下电极涂覆导电银胶，利用导电银胶将下电极导线和下电极铝基底，上电极导线和金属上电极分别连接固定，然后放入恒温箱中，固化导电银胶。
本发明的有益效果是：本发明的氧化铝薄膜湿敏传感器，采用微弧氧化的工艺，利用高压放电的弧光在铝基表面形成一层多孔Al2O3陶瓷薄膜，该氧化铝陶瓷以α-Al2O3为主，因此与阳极氧化法和溶胶凝胶法相比，该方法制备出来的湿敏传感器具有长期稳定性和较好的感湿性能。
附图说明
图1为本发明实施例的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器的结构俯视图；
图3为本发明实施例的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器的工艺流程图；
图4为本发明实施例的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器的铝片切割后的俯视图；
图5为本发明实施例的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器的金属上电极的掩膜版图形；
附图中，各个标号所代表氧化铝薄膜湿敏传感器的部件列表如下：
1、下电极基底；2、湿敏薄膜；3、金属上电极；4、下电极导电胶；5、下电极导线；6、上电极导电胶；7、上电极导线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构和工艺进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-2所示，本发明提供一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，包括下电极基底1，所述的下电极基底1上制备有湿敏薄膜2，所述的湿敏薄膜2上制备有金属上电极3，所述的下电极基底1的表面设置有下电极导线5，所述的下电极基底1和下电极导线5通过下电极导电银胶4相连，所述的金属上电极3上设置有上电极导线7，所述的金属上电极3和所述的上电极导线7通过上电极导电银胶6连接。
可选地，所述下电极基底1为铝基。
可选地，所述湿敏薄膜2的材料为氧化铝薄膜。
可选地，所述金属上电极3为铝，铜，金或者铂电极。
具体的，所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其制备方法包括以下步骤：
设计好高纯铝片的尺寸，将铝片进行线切割得到图4的结构，使用抛光机依次用240,400,800和1200目的抛光砂纸对切割后的图4结构的铝片进行表面抛光，最后依次使用丙酮，酒精和去离子水对抛光后的铝片进行清洗，最后得到下电极基底1。
用酒精清洗干净烧杯，将NaHSO4和KHSO4混合置入烧杯中，通过加热设备加热至200℃为熔融状态，用定制夹具将下电极铝基底夹好固定作为阳极进行微弧氧化，微弧氧化电流为150mA，微弧氧化时间为100s，制备出材料为Al2O3的湿敏薄膜2。
加热去离子水至100℃沸腾，使用去离子水冲洗湿敏薄膜2以去除表面残余化学物质，然后利用超声清洗仪器分别依次使用酒精和去离子水对湿敏薄膜2进行清洗3min。
用酒精清洗干净烧杯，配制草酸溶液置入烧杯中，控制溶液在室温条件下，用定制夹具将下电极铝基底夹好固定作为阳极，对氧化铝薄膜进行阳极氧化，阳极氧化电压为70V，阳极氧化时间为20min，阳极氧化工艺是为了避免下电极基底1和金属上电极3的短路。
在恒温箱中放入铝基氧化铝薄膜进行高温退火工艺，退火温度为300℃，退火时间为2-3h，退火完成后等待氧化铝薄膜降至室温后取出。
设计金属上电极图形，将定制掩膜版同氧化铝薄膜进行固定，利用磁控溅射工艺，制备得到材料为铝，铜，金或者铂的金属上电极3，掩膜版图形如图5所示，射频磁控溅射功率150W，溅射时间8min，并控制溅射气压为1.5Pa，靶基距为5cm。
去除掉部分生长的氧化铝薄膜，暴露出下电极基底1，通过下电极导线5和下电极导电银胶4，实现对下电极基底1进行电极电线引出。通过涂覆导电胶(即，下电极导电胶4和上电极导电胶6)，使用铜，铝或者金导线(即，下电极导线5和上电极导线7)同下电极基底1和金属上电极3进行连接，并使用夹子对下电极基底1和下电极导线5、金属上电极3和上电极导线7进行加压固定，最后常温静置24h，或者放入烘箱中在80-100℃的恒温条件下保温1-2h实现对导电银胶进行烘干固化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于：包括下电极基底(1)，所述的下电极基底(1)上制备有湿敏薄膜(2)，所述的湿敏薄膜(2)上制备有金属上电极(3)，所述的下电极基底(1)的表面设置有下电极导线(5)，所述的下电极基底(1)和下电极导线(5)通过下电极导电银胶(4)相连，所述的金属上电极(3)上设置有上电极导线(7)，所述的金属上电极(3)和所述的上电极导线(7)通过上电极导电银胶(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，所述的下电极基底(1)的材料为铝基底。
3.根据权利要求1所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，所述的湿敏薄膜(2)的材料为氧化铝薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，所述的金属上电极(3)的材料为铝，铜，金或者铂电极。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
步骤1：对下电极铝基底进行切割抛光清洗工艺；
步骤2：对下电极铝基底进行微弧氧化工艺，制备得到氧化铝薄膜；
步骤3：对制备得到的氧化铝薄膜进行阳极氧化工艺；
步骤4：对制备得到的氧化铝薄膜进行高温退火工艺；
步骤5：对氧化铝薄膜进行磁控溅射工艺，制备得到金属上电极薄膜；
步骤6：对制备得到的氧化铝薄膜湿敏传感器的上下电极进行引出。
6.根据权利要求5所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，步骤2中所述的微弧氧化工艺为：以下电极铝基底为阳极，在恒定电流150mA下通过熔融的NaHSO4和KHSO4混合液进行微弧氧化，微弧氧化时间60s，制备氧化铝薄膜。
7.根据权利要求5所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，步骤3中所述的阳极氧化工艺为：以氧化铝薄膜作为阳极，在恒定电压70V下通过草酸溶液进行阳极氧化，阳极氧化时间为20min。
8.根据权利要求5所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，步骤4中所述的高温退火工艺为：将制备好的氧化铝薄膜置入恒温箱中进行退火，退火温度为300℃，退火时间为2h。
9.根据权利要求5所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，步骤5中所述的磁控溅射工艺为：将清洁干燥的氧化铝薄膜同掩膜版进行固定，采用铝靶进行射频磁控溅射，溅射功率为150W，溅射时间为8min。
10.根据权利要求5所述的一种有长期稳定性的氧化铝薄膜湿敏传感器，其特征在于，步骤6中所述的引出电极工艺为：对上下电极涂覆导电银胶，利用导电银胶将下电极导线(5)和下电极铝基底(1)，上电极导线(7)和金属上电极(3)分别连接固定，然后放入恒温箱中，固化导电银胶。
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