基于SnO2/MoS2的电容式湿度传感器的设计、制备及性能研究

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湿度传感器作为传感器集群中的重要分支,在各个领域都扮演着重要角色。根据测量原理的不同,它可以被分为六大类,其中电容式湿度传感器因为易于集成且具有相对高的灵敏度而在实际应用中享有最大占比。虽然电容式湿度传感器发展至今,很多技术难题已被攻克。但它始终存在一个重要缺陷,即其在低湿度范围下的灵敏度远远低于高湿度。因为目前文献中报道的该类传感器的电容值均随着湿度的提升而指数增大,导致在低湿度区,电容值的变化率远远小于高湿度区。而目前学者们解决该问题的方法是开发具有优越湿敏性能的材料,试图通过整体提升整个湿度测试区间内的灵敏度来改善低湿度区的灵敏度,但这并不能从根本上解决上述问题。而本研究聚焦电容式湿度传感器,在研究提升敏感材料性能的同时,也探究电极结构对传感器性能的影响作用,寻求从根本处提升传感器在低湿度区灵敏度的方法。本文中敏感材料选择使用SnO2修饰MoS2来提升其湿度检测方面的性能。材料的合成均采用水热法,并且使用扫描电子显微镜和X射线衍射对合成材料的形貌和成晶情况作了表征。这种复合材料也是第一次用于电容式湿度传感器中。为探究不同掺杂比对复合材料湿敏性能的影响,本文共合成了10:1,5:1和2:1三种掺杂比构成的SnO2/MoS2复合材料。而测试电极方面,使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工艺制作叉指电极。并且为了探究传感器湿度响应与叉指电极间距之间的作用关系,设计电极间距为离散变量,最小间距为5μm,最大间距为300μm。研究发现,由于表面导电机制的不同,叉指电极间距对SnO2/MoS2电容式湿度传感器的湿敏响应行为有重要影响。对于具有小间距电极的传感器,其电容值随着湿度的上升而指数下降,从而在低湿度范围下可获得超高灵敏度。而对于大间距电极的传感器,随着湿度的增加,其电容值指数增长,从而在高湿度范围下具有超高灵敏度。并且对于不同的敏感材料,其大、小间距的分割阈值不同。实验结果表明,质量掺杂比为2:1的复合材料的小间距阈值为20μm,大间距阈值为100μm。且它在小间距和大间距电极下均具有最大响应值,并且有短的响应时间和恢复时间,迟滞现象小,重复性优异。而基于掺杂比为10:1和5:1的SnO2/MoS2湿度传感器,其小间距阈值和大间距阈值均大于300μm。并且10:1掺杂比的传感器具有最高的低湿度区灵敏度353μF/%RH。
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