碳纳米管湿度传感器敏感特性的研究

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1、ClassifiedIndex:TP212.1U.D.C:53.08DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONSENSINGPROPERTIESOFCARBONNANOTUBESHUMIDITYSENSORCandidate：ZhaoZhengangSupervisor：Prof.LiuXiaoweiAssistantSupervisor:Prof.ChenWeipingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandS

2、olid-StateElectronicsAffiliation：Dept.ofMicroelectronicsScienceandTechnologyDateofDefence：May,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要湿度传感器作为湿度信息的采集单元，已经在环境监测、仓库存储、工业生产、气象等方面得到广泛应用，成为当前最具实用性的传感器之一。由于碳纳米管具有比表面积大、吸附能力强、电学特性优异等特点，近年来一直受到湿度传感器研究领域的关注。由碳纳米管制作的湿度传感器具有响应速度快，灵敏度

3、高等优点，具有良好的发展前景。本文首先针对目前直流电压测试条件下的电阻型碳纳米管湿度传感器稳定性相对较差的问题，提出采用交流信号对传感器进行检测，并探讨传感器工作原理与介质介电弛豫效应对传感器电容与电阻的作用机制。根据上述分析结果，开展应用介电弛豫原理的新型检测方法研究，提出一种基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器。同时，通过对介电弛豫基本模型的研究，在原有碳纳米管湿度传感器模型中引入了介电损耗产生的电导，从而对传感器原有模型进行补充与完善。为验证上述基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器的工作原理的正确性，制作了一种叉指电极式碳纳米管湿度传感器。分别对该传感器电阻与电容的频

4、率特性进行实验研究，发现随测试频率升高，敏感薄膜内部毛细凝聚产生的液态水的极化率将降低，使传感器电容随湿度的变化量下降。该实验结果与传感器电容频率特性理论分析结果具有相同的规律性。同时，当环境湿度发生变化，传感器电导的变化量随频率升高而增加，此时传感器对环境湿度的敏感以介电弛豫效应为主，实现了对所提出的基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器的实验验证。同时，对基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器模型与传感器实验数据进行拟合，发现两者拟合良好，从而验证了对基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器所建立模型的正确性。最后，本文对所提出的基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器

5、性能进行测试与分析。针对目前电阻型碳纳米管湿度传感器普遍存在稳定性较差，电阻波动较大的缺点，重点分析了传感器的稳定性，提出利用提高测试频率来提高传感器稳定性的方法。根据实验结果，测试频率200kHz时传感器电阻随时间波动的相对变化量为500Hz时的1/4。同时，对传感器线性度、灵敏度等特性进行实验研究，结果表明测试频率为200kHz时传感器线性度最好，达到2.72%；此时传感器灵敏度为-6.84Ω/%RH；响应时间与恢复时间分别约为6s和14s。I哈尔滨工业大学工学博士学位论文该论文提出的基于交流信号检测的电阻型碳纳米管湿度传感器具有较高的稳定性与灵敏度；同时，所提出的传感器电学模型与

6、数学模型为电阻型碳纳米管湿度传感器的结构设计与研制奠定了相应理论基础。关键词：湿度传感器；碳纳米管；传感器模型；稳定性—II—AbstractAbstractHumiditysensor,asacollectionunitforhumidityinformation,hasbeenwidelyappliedinenvironmentalmonitoring,warehousestorage,industrialproductionandweatherhumiditydetection,andbecomeonekindofthemostuniversalsensorspresently.

7、Ascarbonnanotubespossessgreatsurfaceareatovolumeratio,strongadsorptionabilityanddistinguishedelectricsproperty,theyhavereceivedgreatattentioninsensorresearchfield.Withfastresponseandhighsensitivity,humiditysensorsfabricatedb