濕度和頻率對濕敏元件電學(xué)特性的影響*

宋麗麗，韓建峰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，呼和浩特 010080)

濕敏元件在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域被用于局部環(huán)境的濕度監(jiān)測與自動控制。對濕敏元件的電學(xué)特性、感濕機理及其等效電路的研究日益增多。氧化鈦是一種N－型半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，成本較低且制備工藝簡單，已經(jīng)成為一種重要的環(huán)境敏感材料［1］。

實驗采用溶膠－凝膠法［2－3］制備氧化鈦納米薄膜陶瓷濕敏元件，研究測試頻率與環(huán)境濕度對其電阻、電容、阻抗等物理參數(shù)的影響，重點分析其阻抗特性并研究內(nèi)在機理，期望能夠?qū)⒃摬牧嫌糜诃h(huán)境濕度的自動監(jiān)測與控制。

1 元件制備及性能測試

將鈦酸四丁酯(分析純)、無水乙醇(分析純)按配比為1:4(體積比)混合，使用磁力攪拌器攪拌30 min，得到黃色溶液，靜置并陳放兩日后，使用提拉法在印有梳狀銀電極［4－6］的石英玻璃基板上涂覆薄膜。然后在100℃下保溫30 min，繼續(xù)在高溫箱式電阻爐內(nèi)煅燒1 h，煅燒溫度為500℃，得到所需濕敏元件［7］，如圖1所示。

在室溫22℃下，選擇環(huán)境濕度范圍在9% RH～97% RH(飽和鹽溶液法)內(nèi)共九個濕度點作為測試點，按照濕度依次增加的順序進行測量。采用ZL5 型智能LCR 測量儀對薄膜元件的電阻、電容、阻抗等物理參數(shù)進行測量，測試頻率分別為0.01 kHz、0.1 kHz、1 kHz、10 kHz、100 kHz，測量電壓為1 V。

測試系統(tǒng)是由GPIB 接口卡建立PC 機和ZL5組成的自動控制系統(tǒng)［8］。測試系統(tǒng)的所有操作都是通過此接口實現(xiàn)的，ZL5 測量儀從接口總線上得到命令，在命令執(zhí)行完后將數(shù)據(jù)送回接口總線。在PC 機上利用VB 開發(fā)的系統(tǒng)控制軟件進行存儲分析。

圖1 濕敏元件模型

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)參數(shù)－濕度特性

圖2 電阻、電容、阻抗隨濕度變化關(guān)系曲線

圖2 表示薄膜元件在不同頻率下的感濕特性曲線。圖2(a)為電阻－濕度曲線:工作頻率較低時，低濕區(qū)元件的電阻值隨濕度變化不大，高濕區(qū)元件的電阻值隨著濕度的增大明顯減小，元件的感濕靈敏度較高;工作頻率較高時，電阻值變化趨勢變緩。圖2(b)電容－濕度曲線表明，工作頻率較低時，在低濕度(相對濕度＜40%)時，電容變化很小，當(dāng)濕度達到一定范圍后，電容隨濕度的增大而迅速增加，頻率為100 Hz 最為明顯;工作頻率越高，元件的感濕靈敏度越低，隨著頻率的增大，特性曲線在低濕區(qū)出現(xiàn)平臺，曲線線性劣化。實驗數(shù)據(jù)說明，隨著濕度的增加，不僅電子、離子濃度發(fā)生變化，材料本身的極化也隨之加強，表現(xiàn)為顆粒間界面電容增大;在電極表面能夠積累離子從而導(dǎo)致空間電荷極化，表現(xiàn)為電極表面電容的增加，所以總電容迅速增大［9－10］。

元件的阻抗主要包含兩部分:電阻分量和電抗分量。材料阻抗中的電阻分量可表示為Ri(Ri為元件中材料顆粒本身、材料晶粒表面、電極與材料之間、以及電極表面等每一部分的等效電阻，i=1，2，3……)。元件阻抗中的電抗分量主要是指容抗部分，可表示為1/jωCi(Ci為元件中材料顆粒本身、材料晶粒表面、電極與材料之間、以及電極表面等每一部分的等效電容，i=1，2，3……)［11］。根據(jù)串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律，在串、并聯(lián)電路中任何一個元件的電阻(電容)增大，則電路中的總電阻(電容)也隨之增大;反之，任何一個元件的電阻(電容)減小，則電路中的總電阻(電容)也隨之減小。圖2(a)、2(b)表明，隨著濕度的增大，濕敏材料的電阻減小，電容增大。頻率一定時，隨著濕度的增大，元件的容抗值1/jωCi減小。因此無論濕敏材料的等效電路是怎樣的，在低頻且ω 大小不變時，元件的電抗和容抗都隨著濕度的增大而減小，故元件的阻抗模值隨著濕度的增大而減小;在高頻下，電阻值略有增大后減小，而阻抗值保持減小趨勢，說明容抗部分起決定作用。實驗數(shù)據(jù)與此結(jié)論吻合，如圖2(c)所示，低頻下阻抗值隨濕度的增加而減小。因此當(dāng)采用較低工作頻率時，相對濕度高于40%時氧化鈦薄膜感濕性能較好，薄膜適于高濕型濕敏元件。

2.2 電學(xué)參數(shù)－頻率特性

圖3 表示不同濕度下薄膜元件的電學(xué)參數(shù)隨頻率變化的特性曲線。如圖3(a)所示，在低濕區(qū)，電阻隨工作頻率增加迅速減小;高濕區(qū)，頻率對電阻的影響減小，如相對濕度為97.2%時，電阻幾乎不發(fā)生變化。如圖3(b)所示，在低濕區(qū)，電容隨頻率增加緩慢減小;高濕區(qū)，電容急劇減小，當(dāng)頻率從10 Hz 增大到100 kHz，頻率增大的數(shù)量級與電容值減小的數(shù)量級相差不大，故元件的容抗1/jωCi隨頻率的變化不大，根據(jù)串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律，元件阻抗模值隨頻率的變化主要是由頻率對電阻分量的影響決定的，與實驗所得曲線相符合:圖3(a)與圖3(c)十分接近。這是因為，隨著濕度的增大，電阻分量減小的速率比容抗分量增大的速率快，電阻分量對阻抗值的貢獻逐漸增大［9，12］。

圖3 電阻、電容、阻抗隨頻率變化關(guān)系曲線

圖3 中濕敏元件的阻值在低濕時受頻率的影響很大，而在中、高濕時影響較小。由于外電場的頻率變化對電子、離子導(dǎo)電幾乎沒有影響，而對材料的極化影響很大?？梢酝茢?，在低濕時，不僅少量電子、離子材料參與導(dǎo)電，極化時電偶極矩的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生等效空間電荷，相當(dāng)于載流子的運動產(chǎn)生電流，是材料導(dǎo)電的主要的原因之一;隨著濕度的增加，吸收的水分使離子的活化能降低，于是電離出更多的離子作為載流子，此時，濕敏元件的電阻受頻率影響變?。?3］。

3 結(jié)論

實驗測試了氧化鈦薄膜濕敏元件電學(xué)參數(shù)，在低濕度(＜40%)時，電阻、電容以及阻抗變化都不是很明顯，隨著濕度的增加(＞40%)，電阻值、阻抗值減小而電容值增大，變化的幅度與測試頻率有關(guān)。當(dāng)濕度一定時，電阻值、電容值都隨頻率的增大而減小。在高濕度時，元件阻抗模值主要是由電阻分量決定的，且濕敏元件的電阻受頻率影響變小。結(jié)果表明，較低工作頻率，相對濕度高于40%時氧化鈦薄膜感濕性能較好，薄膜適于高濕型濕敏元件。

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