Al2O3湿敏传感器的研制与分析

摘要

Al2O3露点仪用于测量气体中微量的水分，其湿敏极限是常用湿度传感器的300至30万倍。主要用于辅助导弹与卫星制造，半导体行业的芯片封装，电力行业的SF6断路器检测，高空大气的分析，大型空气压缩机监测，医疗与制药等领域。
　　目前我国尚无制造Al2O3露点仪产品的能力。而国外制备的Al2O3产品售价高昂，并且由于湿敏薄膜采用普通的阳极氧化工艺制造而存在着较大的漂移，经常需要返厂校正，测量精度与便捷性一直不能满足应用的需求。本文的目的是为我国研制测量范围宽，稳定性好且易于产品化的新型Al2O3露点仪做技术积累。
　　首先分析了各种Al2O3露点仪，根据所掌握的制备工艺完成了湿敏元件结构的设计。设计结果具有灵敏度高、便于制造的优点并且集成了温度测量与加热功能。在查阅大量Al2O3湿敏薄膜的文献与专利后选择了Al2O3薄膜稳定性最好的闪火阳极氧化工艺。
　　然后对Al2O3湿敏元件进行等效电路分析与物理模型的建立，并以此为基础完成了生产工艺的制定与测试电路的初步设计，设计搭建了Al2O3湿敏元件的制备平台。完成实验样本的制备后使用X射线衍射仪与扫描电镜对Al2O3薄膜的化学晶相与微观形貌进行了分析，证实了薄膜为最稳定的α-Al2O3相结构并且具有多孔性。
　　最后在低湿度测试平台的实验测试证实了Al2O3露点仪具有很宽的测试范围并在低湿度下具有优异的稳定性，采用了湿敏元件零点自动校正算法与高稳定性的电路设计进一步提高露点仪的稳定性。针对露点仪所存在的湿滞现象，进行了原理分析并进行了工艺改进与使用数值型Preisach模型进行补偿。
　　本课题所制备的Al2O3露点仪已经具备了产品化的前景。

目录

Al2O3湿敏传感器的研制与分析

DEVELOPMENT AND ANALYSIS OF Al2O3 HUMIDITY SENSOR

摘要

Abstract

目 录

绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 湿度简介

1.1.2 湿度传感器的分类与原理

1.1.3 本课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

1.3.1课题来源

1.3.2主要研究内容

第2章 湿敏元件的设计与建模

2.1 湿敏元件的结构设计

2.2 Al2O3湿敏薄膜的设计

2.3 湿敏元件的等效电路模型与物理模型

2.3.1 Al2O3湿敏元件的等效电路分析

2.3.2 Al2O3湿敏元件的物理模型

2.4 本章小结

第3章 Al2O3湿敏元件的制备与表征

3.1 探头制备流程与参数分析

3.1.1制备流程分析与设计

3.1.2生产工艺参数的分析

3.2 制备平台的设计与搭建

3.3 湿敏薄膜的表征与分析

3.3.1 Al2O3湿敏薄膜的晶相结构

3.3.2 Al2O3湿敏薄膜的微观结构

3.4 本章小结

第4章 传感器的性能测试与优化

4.1 湿度测试平台与测量电路

4.1.1 超低湿度发生平台与湿度参考

4.1.2 测量电路的设计

4.2 测试方案与结果

4.2.1 湿敏特性与一致性测试

4.2.2 长期稳定性测试与分析

4.3 性能优化设计

4.3.1 湿敏元件零点漂移补偿算法

4.3.2 测量电路长期稳定性补偿方法

4.4 本章小结

第5章 传感器湿滞的分析与补偿

5.1 湿滞产生的原因分析

5.2 Preisach模型

5.2.1 经典Preisach模型介绍

5.2.2 经典Preisach 模型的数值型表达

5.3 湿滞的Preisach补偿

5.3.1 Al2O3湿敏传感器的参数辨识

5.3.2 湿滞补偿结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

致 谢