一种含钼元素高性能湿敏涂膜的制备.doc

一种含钼元素高性能湿敏涂膜的制备杨鸿伟（大庆石化公司 实业公司，黑龙江 大庆 163714）摘 要：采用溶胶凝胶法制备H2V12xMoxO31ynH2O(0x10)干凝胶薄膜，并对其湿敏特性进行研究，结果表明：随着Mo含量的增加，H2V12xMoxO31ynH2O(0x10)干凝胶薄膜的灵敏度增大，湿滞回差降低，其中，在串联电路模式下，H2V2Mo10O31ynH2O干凝胶薄膜的电容、电阻湿敏特性好；在并联电路模式下，H2V3Mo9O31ynH2O干凝胶薄膜的电容湿敏特性好，H2V2Mo10O31ynH2O干凝胶薄膜的电阻湿敏特性较好。关 键 词：H2V12xMoxO31ynH2O；湿敏特性；传感器中图分类号：TE624 文献标识码：A 文章编号：V2O5凝胶通过加入到其它物质中用于制备湿敏材料1,2，广泛应用于作为表面感湿薄膜的湿敏传感器中。以V2O5为基体的复合钒钼酸干凝胶是一种新型的湿敏材料，目前对这类凝胶的研究主要集中在不同的钒酸基化合物的制备方面。在本文中的制备是采用溶胶-凝胶法以Mo取代V2O5溶胶中的V,合成H2V12xMoxO31ynH2O（0x10），即复合钒钼酸，并考察其湿敏特性及不同钼含量对其湿敏特性的影响，以期待在V2O5溶胶原有的感湿特性上，使复合材料兼具有两者的优点，研发出感湿性能更加优异的湿敏薄膜材料。1 试验部分1.1 试剂V2O5粉末（分析纯）、H2O2（分析纯）、Mo粉1.2 复合钒钼酸溶胶的制备将一定量分析纯的V2O5粉末和Mo粉末分别溶于H2O2中，以V2O5和Mo粉为起始物质，以H2O2做为溶剂。在室温下溶解完全得无沉淀的前驱溶液，其颜色分别为红褐色和浅绿色，将溶液迅速混合后放入0冰浴中，并立即用玻璃棒搅拌至块状物质大部分溶解得到深墨绿色H2V12xMoxO31ynH2O溶胶，在100下干燥失水成H2V12xMoxO31ynH2O干凝胶。在所有过程中均需均匀搅拌。1.3 复合钒钼酸薄膜湿敏元件的制备1.3.1 衬底元件的衬底片是在陶瓷基板上，以金浆进行丝网漏印成叉指电极，在800以上高温烧结成金电极，焊上引线所得到。叉指电极的特点是宽度小(几十到几百微米)，而长度在mmcm级，电极为金电极。1.3.2 元件（1）衬底清洁处理：把衬底放在滤纸上，用乙醇棉球反复擦洗以除去表面的油污，再用丙酮棉球擦洗三次（注意要向一个方向擦洗，以免棉球丝挂在基片上），并用超声振荡清洗30min，接着用去离子水冲洗10次，最后室温下干燥1小时后待用。（2）在干燥好的元件背面标记好序号之后，用垂直提拉法将复合钒钼酸溶胶在元件上成膜。（3）室温干燥后放在红外烘干箱中处理半小时形成湿敏元件。2 结果与讨论2.1 复合钒钼酸薄膜感湿特性测试25下，H2V12xMoxO31ynH2O(0x10)干凝胶薄膜的湿敏特性，包括串联电路模式下电阻、电容随相对湿度的变化以及并联电路模式下电阻，电容随相对湿度的变化。由实验结果可知：复合钒钼酸薄膜湿敏特性明显优于V2O5薄膜的湿敏特性，并随着掺Mo量的增加，性能逐渐增强。除此之外，还要比较其他感湿特性参数的优异，才能对复合钒钼酸薄膜湿敏特性做全面的评价。分析复合钒钼酸湿敏元件的灵敏度和湿滞回差随Mo含量变化关系可知：串联电路模式下，湿敏元件电阻的灵敏度随Mo含量的增加而增加，其中当0.5x5.5过程中，灵敏度随Mo含量增加而上升的趋势并不明显，x7时的灵敏度较小是因为涂膜不好所致，根据实验数据处理的原则，可将该点抛除，因此，在x5.5之后，灵敏度增加的趋势变得明显，当x10时灵敏度最大，达11.22kW/RH%；串联电路模式下，湿敏元件电阻的湿滞回差随Mo掺入量的增加呈下降趋势，0.5x5时，湿滞回差有下降趋势，但反复波动，并不明显；x5.5之后，湿滞回差随x的增加而下降，当x10时湿滞回差最小，为5.61RH。综合考虑，在串联电路模式下的H2V2Mo10O31ynH2O较为合适做电阻型湿敏元件薄膜。串联电路模式下湿敏元件的灵敏度随Mo含量的增加而增加，湿滞回差随Mo含量的增加而降低，因此，Mo的掺入量在能够掺加成功的情况下，应越多越好，即H2V2Mo10O31ynH2O适合做电容型湿敏元件。总的来说，并联电路模式下薄膜电阻的灵敏度随着Mo含量掺加的增加而升高，表明向V2O5溶胶中掺加Mo有利于提高湿敏元件的电阻特性，并且随着Mo的加入量的增加，灵敏度增加的幅度也越来越大。至于在3.54之间的稍许下降，可能是由于涂膜不够均匀所至；薄膜电阻的湿滞回差随Mo含量掺杂量的增加总体上是在逐渐减小的，至于在x3之前的往复波动可能是由于在开始测量阶段体系湿度不够稳定，随着测量的深入，时间的延长，湿度体系渐趋稳定，使规律才变得明显。综上所述，对于并联电路下电阻型湿敏元件，Mo的含量越高越好。分析25下并联电路电容的灵敏度和湿滞回差对Mo含量的变化关系可知：对于并联电路模式下湿敏元件的电容特性而言，当x9时灵敏度最高，湿滞回差最小，因此，H2V2Mo10O31ynH2O适合在并联电路模式下做电容型湿敏元件。综上所述，在串联电路模式下，薄膜的湿敏特性随Mo含量的增加而增强，可知H2V2Mo10O31ynH2O适合做电容或电阻型湿敏元件；在并联电路模式下，H2V2Mo10O31ynH2O薄膜适合做电阻型湿敏元件；而湿敏元件薄膜的电容特性，宜取Mo的掺比量等于9时较佳，即H2V3Mo9O31ynH2O。2.2 复合钒钼酸薄膜感湿温度特征对于薄膜湿度传感器来说，环境温度对薄膜的质量来说是非常重要的，因此有必要研究不同温度下，薄膜的湿敏特性与Mo掺比量的关系。基于2.1中的分析讨论，选取最佳Mo掺比量的薄膜，比较不同温度下与其相应的感湿特征量。2.2.1 H2V2Mo10O31ynH2O感湿温度特征分析H2V2Mo10O31ynH2O在1KHz频率、1V的工作电压，串联电路中的电容对温度关系可知：在串联电路中，同一相对湿度下，湿敏元件薄膜的电容随温度的升高而升高；在测量的湿度范围内，高温度下的湿敏特性曲线变化显著，即H2V2Mo10O31ynH2O在高温下感湿灵敏度高，适宜用在较高温度下做为湿敏元件使用。2.2.2 H2V2Mo10O31ynH2O感湿温度特征H2V2Mo10O31ynH2O薄膜在在1KHz的频率、1V的工作电压，串联电路中的电阻对温度关系可知：同一相对湿度下，278K时的电阻值最大，且在测量湿度范围内，电阻的变化也最显著，因此，H2V2Mo10O31ynH2O薄膜较适宜在298K时的串联电路中做为电阻型湿敏元件薄膜使用，此时薄膜灵敏度最高。2.2.3 H2V3Mo9O31ynH2O感湿温度特征 H2V3Mo9O31ynH2O在1KHz的频率，1V的工作电压，并联电路中的电容对温度的关系可知： H2V3Mo9O31ynH2O薄膜在并联电路中，其感湿特征量电容在测量湿度范围内受温度的影响不同。在低湿情况下，电容几乎不受温度的影响；在高湿情况时，电容值在同一相对湿度下，随温度的升高而增加，但在323K时的薄膜稳定性较差，在273K时薄膜又不具有灵敏性。因此该试样薄膜适宜在298K时，即在接近于室温下使用，这时其电容感湿特性的灵敏度较高。2.2.4 H2V2Mo10O31ynH2O感湿温度特征H2V2Mo10O31ynH2O在1KHz的频率，1V的工作电压，并联电路中的电阻对温度的关系可知：H2V2Mo10O31ynH2O薄膜在并联电路中，相同相对湿度的情况下，其电阻随温度的升高而降低，并且在高温情况下其下降的趋势更为明显。因此，H2V2Mo10O31ynH2O薄膜适宜在323K时使用，这时其电阻感湿特性的灵敏度较高。2.3 湿敏特性参数比较湿度敏感器件，同其它敏感器件一样，具有能够反映器件性能的特性参数。以湿敏薄膜H2V3Mo9O31ynH2O和H2V2Mo10O31ynH2O为例，其湿敏特性参数实验结果可知： H2V2Mo10O31ynH2O的感湿温度系数比H2V2Mo10O31ynH2O的小，即掺Mo量为10的薄膜在由于环境温度的变化所引起的测湿误差要比掺Mo量为9的薄膜小，其响应恢复时间也相对较短。因此，Mo掺比量的增加，增强了V2O5溶胶薄膜的感湿特性，复合钒钼酸薄膜较V2O5溶胶薄膜的湿敏特性方面都有了更为宽广的适用范围，更为优越的湿敏特性，证明了向V2O5溶胶中掺杂Mo形成复合材料是有实用价值的。3 结论（1）采用无机溶胶凝胶法制备了H2V12xMoxO31ynH2O（0x10）溶胶和干凝胶；（2）在串联电路模式中，湿敏元件的感湿特征量电容、电阻均随Mo含量的增加，其灵敏度逐渐升高，湿滞回差逐渐降低，因此Mo含量越大，湿敏性能越好；（3）在并联电路模式中，对于电容型湿敏元件，H2V3Mo9O31ynH2O湿敏特性较佳；对于电阻型湿敏元件，H2V2Mo10O31ynH2O湿敏特性较佳；（4）H2V2Mo10O31ynH2O干凝胶薄膜具有良好的湿敏特性，在RH11%97%的范围内线性好，灵敏度高，湿滞回差小，感湿温度系数为0.29RH%/。参考文献：1 徐开先，李研君敏感元件及传感器的国内外动态与对策J仪表技术与传感器，2002，卷号（5）：142 徐开先实用新型传感器及其应用M沈阳：辽宁科学技术出版社，19953 成万英，吴建章湿敏元件的发展概况J期刊名，1985，卷号(4)：63-714 刘志华我国湿度传感器的发展方向和市场预测J流体力学实验与测量，1991，卷号(2)：32-36英文标题作者联系方式Abstract:Is this literary grace used to dissolve gum-gel legal system to have the H2V12xMoxO31ynH2O (0 x 10) does gel thin film, and as to its the wet quick characteristic carry on a research, result enunciation:Along with the increment of the Mo content, is the H2V12xMoxO31ynH2O(0x10) (0 x 10) does the intelligent degree of gel thin film to enlarge, the wet Zhi returns bad lower, among them, while establishing electric circuit mode, are H2V2Mo10O31ynH2O does wet quick characteristic of the electric capacity, electric resistance of gel thin film good;While