电阻式碳纳米管湿度传感器电学模型与湿敏特性的研究

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1、国内图书分类号：TP212.2学校代码：10213国际图书分类号：543.54密级：公开工学硕士学位论文电阻式碳纳米管湿度传感器电学模型及湿敏特性研究硕士研究生：王鑫导师：王蔚副教授申请学位：工学硕士学科：微电子学与固体电子学所在单位：微电子科学与技术系答辩日期：2011年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP212.2U.D.C:543.54DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONELECTRICALMODELANDHUMIDITYSENSITIVECHARACTERISTICSOFRE

2、SISTIVECNTsHUMIDITYSENSORCandidate：WangXinSupervisor：WangWeiAssociateProfessorAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-stateElectronicsAffiliation：Dept.ofMicroelectronicElectronicScienceandTechnologyDateofDefence：June,2011Degree-Conferring-Institution：H

3、arbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要自从碳纳米管被发现以来，由于其具有很好的化学稳定性、独特的电学性质以及特殊的物理结构等一直受到广泛的关注。尤其是碳纳米管具有很大的比表面积及多孔结构，因此对周围环境中的湿度会十分敏感，是制作湿度传感器敏感膜的理想材料。本文首先从吸附的角度研究了碳纳米管的物理结构和在其孔结构中发生的水汽毛细凝聚现象，同时研究了物质在交流电场下的极化过程与响应方式；设计并制作了实验所用的传感器，制作过程包括电极制备、浆料制备、丝网印刷、传感器烧结与组装等几个部分；通过对传感器复阻抗特性的分析和极化机理的研究建立了

4、传感器的等效模型，并推导出了传感器在不同湿度下的电导公式；对传感器的湿敏特性进行了测试与分析，利用传感器的等效模型和极化理论给出了解释。模型的建立过程中，首先将传感器在湿度环境下的复阻抗图形与理想电路的复阻抗图形进行比较，初步确定了传感器等效模型的基本形式，然后分析传感器在不同湿度下发生的极化机制，经分析传感器在交流电场的作用下会发生MWNT-SiO2的界面极化和水的取向极化，利用不同极化过程对应的电导公式对传感器的电导测试数据进行拟合，验证并最终确立了传感器的等效模型。同时经过拟合可得出，低湿环境下MWNT-SiO2的界面极化起主要作用，且主要发生在10Hz~50kHz的低中

5、频率段；高湿环境下水分子的取向极化起主要作用，且主要发生在10kHz~500kHz的中高频率段。传感器特性的研究过程中，主要分析了传感器的灵敏度、湿滞特性、响应恢复时间、重复性和复阻抗特性等。经测试发现碳纳米管湿度传感器的灵敏度较高、线性度较好、具有良好的可重复性、其响应和恢复时间分别为10秒和18秒。同时，分析了传感器特性受测试频率和环境温度的影响，通过建立的等效模型和极化理论对这些影响给出了解释，为传感器性能的改进提供了理论依据。关键词：碳纳米管；毛细凝聚；极化机理；等效模型-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSincecarbonnanotubes(CNT

6、s)werediscovered,theyhavebeenpaidgreatattentionduetotheirgoodchemistrystability,uniqueelectricalpropertyandspecialphysicsstructure.EspeciallyCNTshavehugespecificsurfaceareaandmulti-holestructure,whichmakesthemsensitivetotheenvironmenthumidity,andthustheywillbetheidealmaterialsforfabricatingh

7、umiditysensors.Inthispaper,thephysicsstructureofCNTsandthecapillarycondensationphenomenonofvaporintheholesofCNTswereresearchedfirstlyfromadsorptionaspect,andthepolarizationprocessandresponsewaysofmatterwereintroduced;theexperimentalsensorbasedonMWN