硅基纳米湿敏元件特性、机理研究及其测试仪设计

摘要

以硅片为衬底制作了纳米钛酸钡(BaTiO<,3>)膜湿敏元件.用硬脂酸盐法合成纳米钛酸钡材料,丝网印刷法将纳米钛酸钡涂在硅衬底上制成电阻式湿敏元件.测试分析了元件的性能参数,结果表明,元件具有较高的灵敏度.元件阻抗(Z)和电容(C)值随测试频率及相对湿度(RH)而变化,但基本不随测试电压变化.在1V,100Hz条件下,元件阻抗~相对湿度关系曲线的线性最好.用复阻抗法对硅衬底纳米钛酸钡湿敏元件的感湿机理进行了分析讨论.实验测量得到湿敏元件在不同相对湿度下的复阻抗特性曲线,然后用各种理想等效电路的复阻抗曲线与实际测量的纳米钛酸钡湿敏元件的复阻抗特性曲线进行比较,寻找一组最相近的曲线.结果表明,纳米钛酸钡湿敏元件的感湿特性可以等效为两个电阻—电容并联电路的串联再与另一个电阻串联的等效电路.这个电咱在改变电阻与电容参数的情况下,复阻抗特性曲线的变化规律可以很好的与纳米钛酸钡湿敏元件的实验测量的不同湿度下复阻抗特性曲线的变化规律相吻合.分析出相应的等效电路之后,结合等效电路有关参数的变化规律,分析讨论了纳米钛酸钡湿敏元件的感湿机理.低湿时,感湿材料本身颗粒电阻和电容(传导载流子和材料极化)及吸附的少量水分子共同起作用;高湿时,吸附的水分子的电离及水分子引起的电极处的空间电荷极化起主要八月和.纳米钛酸钡感湿芯片是一种电阻式湿度传感器.100Hz交流电压作用下,该感湿芯片的输出电阻值对数与相对湿度之间的线性最好,且在相对湿度11%~98%范围内其阻值变化了4个数量级,感湿灵敏度较高.但是,电阻跨度大成为测湿电路设计的难题.该论文基于单片机AT89C2051,采用程控放大技术,设计了简单化、智能化的湿度测试仪,有效解决了上述难题.

目录

文摘

英文文摘

0前言

1湿度传感器及感湿机理

1.1湿度传感器的研究及发展

1.1.1传感器的定义及组成

1.1.2湿度及表示方法

1.1.3湿度传感器的特征参数

1.1.4湿度传感器的分类

1.1.5湿度传感器的应用及发展

1.2纳米材料在湿度传感器的应用

1.3硅衬底上制作湿敏元件的意义、方法及研究状况

1.4纳米钛酸钡湿敏元件的研究基础

1.5感湿机理的一般理论、研究意义及研究方法

1.5.1不同湿敏材料的感湿机理

1.5.2湿敏元件感湿机理分析的一般方法

1.6湿度传感器的应用电路

1.6.1湿度传感器应用电路的特点

1.6.2湿度传感器应用电路的部分种类及发展

2硅衬底纳米钛酸钡湿敏元件的测试及性能讨论

2.1元件的制备及测试

2.1.1元件的制备

2.1.2元件的测试

2.2湿敏元件特性及分析

2.2.1灵敏度

2.2.2湿滞

2.2.3阻抗特性

2.2.4电容特性

2.2.5电压特性

2.2.6响应—恢复时间

2.2.7复阻抗特性

2.3结论

3用复阻抗法分析纳米钛酸钡的感湿机理

3.1研究湿敏材料的感湿机理是重要的科研课题之一

3.2湿敏元件感湿机理分析的一般方法

3.3复阻抗法分析的基本原理

3.4典型理想等效电路的复阻抗特性

3.4.1简单等效电路

3.4.2复杂等效电路

3.4.3几点说明

3.5纳米钛酸钡湿敏元件的等效电路的确定

3.5.1初步确定等效电路

3.5.2等效电路分析系统

3.5.3初步确定的等效电路的复阻抗曲线

3.5.4等效电路的复阻抗图与实验测量的复阻抗图的比较

3.6等效电路对阻抗和电容特性图的解释

3.7纳米钛酸钡湿敏元件感湿机理的讨论

4基于纳米钛酸钡感湿芯片的湿度测试仪设计

4.1感湿元件的实验特性及湿度测试仪的特点

4.2系统硬件部分

4.2.1系统硬件的组成及电路

4.2.2交直流转换电路

4.2.3电路选用芯片MAX187的操作特性

4.2.4电路选用芯片MAX7219的操作特性

4.3系统软件部分

4.3.1主程序流程

4.3.2程控放大子程序

4.3.3线性校正及查表子程序

4.4测试结果

4.5结束语

5结论和展望

参考文献

研究生期间发表论文

致谢

附录湿度测试仪硬件电路PCB版图

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