專利名稱：應用陽極氧化鋁膜的快速響應的相對濕度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及陽極氧化鋁薄膜傳感器，更具體地，涉及基于納米結構的氧化鋁薄膜材料的、快速響應的電容式相對濕度傳感器。
背景技術：
濕度傳感器應用廣泛，例如其可用于氣象站，空調，家用電器和辦公電器，以及工業儀器，等等。對于電子型相對濕度傳感器來說，基于聚合體的濕度傳感器因其成本低和制造工藝成熟而壟斷了市場。而對于高性能的濕度傳感器來說，基于半導體材料的傳感器和基于陶瓷材料的傳感器則更常使用。陽極多孔氧化鋁(AAO)膜(在酸性溶液中陽極氧化的鋁箔)是公知用于制造濕度傳感器的陶瓷材料。第一個鋁基底上的對于濕度敏感的陽極氧化鋁層于1953年見諸報道，其發現該結構的電容隨著相對濕度增加。自1978年規則的蜂巢結構的氧化鋁材料發展起來，基于氧化鋁的對濕度敏感的材料也引起了愈來愈多的關注。針對基于該新穎的納米結構材料而開展的高性能和可靠的傳感器的研究非常熱門。通過陽極氧化產生保護性AAO層是成熟技術，例如，應用在像窗口框架這類的鋁結構材料上產生保護性AAO層。但是，用于產生保護性AAO應用的陽極氧化技術不適于直接用產生基于AAO的濕度傳感器。AAO薄膜的濕度響應在很大程度上取決于陽極氧化參數。例如，現有的濕度傳感器具有的電容與濕度的響應經常是非線性的，其在低或高濕度中具有“平坦”的響應；該傳感器不能在全濕度范圍中工作。濕度傳感器的長期穩定是另一個主要關心的問題；當現有的AAO傳感器暴露在高濕度的環境下會老化。過往針對現有的濕度傳感器的技術問題的各種解決方案多基于復雜的結構設計和/或制造過程，這導致在商業生產中產生不能接受的制造成本。因此，僅在基于陽極氧化鋁形成絕對濕度傳感器領域取得有限的進展。綜上所述，在本領域中，需要一種基于陽極氧化鋁的、低成本的、快速響應的濕度傳感器，其電容與濕度的響應基本成線性，并可以測量全范圍的濕度條件。
發明內容
本發明提供了一種簡單、低成本、和可靠的加工過程，用于制造基于陽極氧化鋁薄膜的穩定、快速響應以及全范圍的濕度傳感器。陽極氧化鋁膜包含納米級通道，通過調節陽極氧化的條件，該通道具有完全可控的孔直徑(從幾納米至幾百納米)、孔深度以及孔密度。在該多孔結構的擴展的表面區域中，可以實現高濕度靈敏度和快速響應。并且，陽極氧化鋁薄膜是熱穩定和化學穩定的，可以形成甚至在苛刻環境中也可使用的穩定的濕度傳感器。
圖I :基于陽極氧化鋁薄膜的電容式濕度傳感器的示意性側視圖。
圖2 :基于陽極氧化鋁薄膜的電容式濕度傳感器的制造過程的流程圖。圖3 :根據本發明一個實施例的濕度傳感器。
圖4 :根據本發明再一實施例的濕度傳感器。圖5:對于本發明的基于4么0的濕度傳感器來說，在溫度51，201，351，501時電容與濕度的曲線。圖6A和6B :基于AAO的濕度傳感器在熱處理之前和之后，在20°C時測量的電容與濕度的曲線。
具體實施例方式詳細轉到附圖，本發明的實施例示出了應用陽極氧化鋁薄膜的電容式濕度傳感器。圖I是傳感器的示意圖。各種元件彼此不是按比例示出。傳感器的主體是陽極氧化鋁(AAO)薄膜120，其厚度為大約2_20 μ m。AAO膜120夾在厚度大約為20-200nm頂金屬層電極130和作為另一電極的鋁基底110之間。AAO薄膜包括直徑大約為IO-IOOnm的納米級通道。在工作中，水蒸汽被吸入在AAO膜的通道表面上，改變AAO膜的電容。通過細致控制納米結構膜的厚度和其中通道的尺寸可以由納米級通道提供了很大的表面區域，從而產生快速響應濕度傳感器。參照圖2的流程圖，接下來勾勒出本發明的濕度傳感器的制造過程。下述過程的條件是用于形成圖2的特殊尺寸的示例性條件。在步驟201，原始材料是厚度為O. 6mm的鋁片。為了產生電容式濕度傳感器的恰當形狀，鋁片被壓成圖3中示出的形狀。作為替換，在步驟201，原始材料是厚度為O. 8mm的鋁片，并被壓成圖4中示出的形狀。在步驟202中，對步驟201中構造的鋁模板進行陽極氧化。在一個示例性實施例中，形成具有通道且厚度為15μπι的膜，其中該通道的直徑為40nm。對于該尺寸的膜來說，在20°C的O. 3M草酸中進行陽極氧化。電流密度保持在4A/dm2，電壓保持在大約30V。對于15 μ m的膜來說，使用4小時陽極氧化時間。陽極氧化之后，在水中沖洗傳感器平板，以去除酸的殘留，然后在提高溫度的環境中干燥。為了制造濕度傳感器，通道直徑的范圍優選是10至lOOnm，厚度是2-20 μ m。這可以通過改變酸的組分和濃度，以及調整電流密度和工作溫度和時間來調節。典型地，電壓越高導致通道直徑越大，而陽極氧化的氧化鋁的厚度通常由陽極氧化的時間確定。陽極氧化的技術通常分為恒電位陽極氧化技術和恒電流陽極氧化技術。在恒電位陽極氧化中，通過整個陽極氧化層，實現更均勻的通道尺寸。但是，電流密度和氧化鋁的增長率隨時間下降。在恒電流陽極氧化中，雖然電壓和孔直徑隨著陽極氧化的時間增加，但是氧化鋁以較為均勻的速率增加。可以順序使用這些技術的組合，以實現所需的膜層結構和商業上可接受的處理時間。圖3示意性描繪了一種實施例的濕度傳感器結構的側視圖，其中310是未經陽極氧化的鋁基底，320是鋁基底310上部的陽極氧化的氧化鋁，330是在AAO和鋁基底上形成的可滲透的金屬層。可滲透的金屬層可以是多孔的金屬層，例如是覆蓋在通道邊緣頂部并允許水蒸氣滲透至AAO層的多孔的鋁金屬層。
圖4示意性描繪了另一種實施例的濕度傳感器結構的側視圖。410是未經陽極氧化的鋁基底，420是在鋁基底410的上部形成的ΑΑ0，430是AAO層420和鋁基底410上部的可滲透金屬層，440是通過彈簧觸點或導電膠附著至傳感器的可焊接的電極管腳。為了制造圖3和4的濕度傳感器，僅有圖3中的區域320和330以及區域420和430需要陽極氧化層。區域310和410必須是導電的以用作電極。這可以由不同的方法實現i)在陽極氧化期間，遮蔽區域310和410 (例如，保護性覆蓋)，或者在陽極氧化期間，避免區域310和410接觸酸性溶液；ii)陽極氧化整個模板結構(即，在沒有電極440時，圖3和4的整個形狀)，隨后從區域310和410去除陽極氧化層；或者iii)陽極氧化整個模板并在區域310和410上沉積金屬層，并在沉積的金屬層和招基底之丨0]廣生接觸。可滲透金屬層330和430優選由這些區域中AAO層的表面上的沉積物形成。導電層的厚度優選為20-200nm。導電層優選是相同的材料，例如金或鋁。例如，可以通過濺射鍍膜制造該沉積物。如上所述，由于AAO層本身是多孔的，沉積的金屬層將覆蓋多孔通道的邊緣，導致金屬層滲透入濕氣。由于圖3和圖4中僅區域330和430由導電層覆蓋，因此在導電層沉積期間，區域310和320以及區域410和420可以被遮蔽或掩膜。 為了實現本發明濕度傳感器具有更線性的響應，圖3和4的結構在上述金屬沉積過程后需進行熱處理。示例性的熱處理條件如下列出i)該結構在90%相對濕度下85°C溫度時退火5-50小時；或者ii)該結構在干燥空氣中，在90°C溫度時退火5-50小時；或者iii)該結構在100°C的溫度的沸水中浸泡10-100分鐘。對于圖3的實施例來說，制成的傳感器利用區域310 (裸鋁管腳)和330 (鋁基上的AAO上的金屬管腳)作為兩個電極。圖3的結構可以作為對濕度敏感的電容器直接插入電路。對于圖4的實施例來說，兩個外部管腳440組裝為如圖示的結構，作為濕度傳感器的電極。兩個管腳通過彈簧觸點或導電膠附著至該結構，其中一個管腳與區域410 (裸鋁區)接觸，另一管腳與區域430 (鋁基上的AAO上的金屬區域)接觸，用作兩個電極。兩個管腳選擇性地由可焊接金屬或金屬合金，例如黃銅和錫制造。上述所制成的器件可插入或焊入電路，作為對濕度敏感的電容器。在制造基于AAO的相對濕度傳感器(圖2)的示例性過程中，主要過程包括構造鋁模板(201)，陽極氧化(202)，電極沉積(203)，熱處理(204)，以及管腳組裝(205，可選)。圖3和4中簡單的模板設計使得最終的濕度傳感器的生產具有高生產率和低制造成本。在批量生產中，可因應陽極氧化、電極沉積和熱處理的設備具體情況定制模板設計，從而實現高效、簡易的生產流程。本發明利用陽極氧化鋁薄膜作為感測元件。陽極氧化鋁薄膜包含納米級通道，其中通過調整陽極氧化的條件使得該納米級通道具有完全可控的孔的直徑、深度和密度。例如，圖5是從下述傳感器獲得，其中該傳感器具有孔直徑大約為40nm、深度大約為15 μ m納米級通道。圖5的電容與濕度曲線分別在5°C、20°C、35°C和50°C測量。作為本發明的加工過程的結果，該曲線在0-100%相對濕度的全濕度范圍內表現出近似線性的響應。在20°C和60%相對濕度的情況下，典型電容是165pF。通過增加AAO膜的有效的感測面積或者降低AAO膜的厚度，可以提高本發明的傳感器的靈敏度。響應時間主要由納米通道的孔的尺寸確定。例如，對于具有孔直徑大約是40nm的納米級通道的傳感器，在濕度范圍是30-90%相對濕度時，響應時間小于I秒。對于下述另一傳感器來說，其中該傳感器具有孔直徑小于IOnm的納米級通道，在濕度范圍是30-90%相對濕度時，響應時間約是6秒。
熱處理提高了傳感器的性能。如圖6A所示，熱處理之前制造的傳感器表現出非線性的響應。在低于30%相對濕度的平坦的相對濕度區域中，讀取的電容幾乎相同。因此，該設備的濕度感測范圍限制在大約30-100%相對濕度內。對于圖6B中示出的熱處理之后的 相同的傳感器來說，電容響應變得更低。但是，電容與濕度曲線在0-100%相對濕度的全濕度范圍內表現出近似于線性的響應。此外，根據本發明制造的傳感器，滯后現象可以忽略。熱處理也提高了傳感器的穩定性。熱處理后的傳感器在溫度低于50°C、濕度低于90%相對濕度下正常工作大約一年時，其仍保持了相同的電容與濕度的響應。而沒有經過熱處理的傳感器較不穩定，并且在高濕度的條件下會快速老化。工業實用性與之前的AAO濕度傳感器相比，根據本發明制造的傳感器集以下特征于一身(I)有競爭力的靈敏度和響應時間，(2)在0-100%相對濕度的全濕度范圍中工作，(3)相對長期的穩定性，以及(4)低成本的簡單的制造過程。其適合于批量生產，且應用廣泛，例如在空調系統，加濕器，去濕器的應用，諸如退火處理所需要精確濕度控制的工業過程的應用，以及用于天氣預報的環境濕度的測量的應用，等等。
權利要求
1.一種電容式濕度傳感器，其具有基本線性的響應并能夠在0-100%相對濕度的全范圍內檢測相對濕度，所述濕度傳感器包括 鋁基底，所述鋁基底形成所述電容式濕度傳感器的一個電極； 至少由所述鋁基底的一部分形成的陽極氧化鋁薄膜，所述陽極氧化鋁薄膜在鋁基底的一部分上形成的厚度為2-20 i! m，所述陽極氧化鋁膜具有從周邊環境中吸收水蒸汽的多通道結構，所述通道直徑為IO-IOOnm ;以及 在所述陽極氧化鋁膜的一部分上形成的多孔金屬層，其中該陽極氧化鋁膜在鋁基底上形成，所述多孔金屬層形成所述電容式濕度傳感器的第二電極，所述鋁基底、陽極氧化鋁薄膜和多孔金屬層經過熱處理，以產生基本線性的濕度與電容傳感器的響應。
2.如權利要求I所述的電容式濕度傳感器，具有小于I秒的響應時間。
3.如權利要求I所述的電容式濕度傳感器，進一步包括從鋁基底和多孔金屬層延伸的金屬電極管腳。
4.如權利要求I所述的電容式濕度傳感器，其中所述鋁基底是平板型的并具有兩個從所述鋁基底延伸出的整體形成的電極腿，一個電極腿包括未經陽極氧化的鋁，另一個電極腿包括陽極氧化的鋁，其中所述陽極氧化的鋁具有其上形成的多孔金屬層。
5.如權利要求I所述的電容式濕度傳感器，其中所述鋁基底是平板型的，所述鋁基底具有從鋁基底的未經陽極氧化的部分延伸的附加的電極腿以及從鋁基底的陽極氧化的部分延伸的另一附加的電極腿，其中所述鋁基底的陽極氧化的部分具有在其上形成的多孔金屬層。
6.一種用于制造如權利要求I所述的電容式濕度傳感器的方法 由招基底形成招I吳板； 對于至少一部分鋁模板進行陽極氧化； 在至少一部分陽極氧化的鋁模板上沉積多孔金屬膜；以及 對得到的多層結構進行熱處理，以產生濕度與電容的響應基本成線性的濕度傳感器。
7.如權利要求6所述的方法，其中在草酸、或硫酸、或磷酸、或硝酸、或其混合物中進行陽極氧化。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述多孔金屬膜是鋁、或銅、或金、或鉬、或鈀、或鎳鉻合金。
9.如權利要求6所述的方法，其中所述熱處理包括在90%相對濕度下，在溫度85°C處退火5-50小時。
10.如權利要求6所述的方法，其中所述熱處理包括在干燥空氣中，在溫度90°C處退火5-50小時。
11.如權利要求6所述的方法，其中所述熱處理包括在溫度100°C的沸水中浸泡10-100分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種基于納米結構氧化鋁薄膜的快速響應的相對濕度傳感器。該傳感器的主體是在鋁基底上形成的厚度大約為2-20μm的陽極氧化鋁薄膜，該鋁基底用作一個電極，而在陽極氧化鋁薄膜上形成的大約為20-200nm厚的多孔金屬層用作第二個電極。該氧化鋁薄膜包括直徑大約為10-100nm的納米級通道，用以形成靈敏度高和響應時間短的電容式相對濕度傳感器。升高溫度的熱處理會改善電容與濕度曲線的線性度，提供全范圍的濕度感測范圍。對該濕度傳感器，滯后現象和老化現象可以忽略。
文檔編號G01N27/22GK102639993SQ201080054402
公開日2012年8月15日 申請日期2010年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者張春, 王寧, 繆建英 申請人:納米及先進材料研發院有限公司