本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及基于氧化鋅的紫外光傳感器及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

氧化鋅材料具有3.7ev的禁帶寬度，材料電阻只對180nm-365nm波長的紫外光具有響應(yīng)，對可見光及紅外光沒有響應(yīng)，是很好的寬禁帶光敏材料。用純氧化鋅材料制作的紫外光傳感器能夠很好的避免紫外波段以外的其它波段光線的干擾，從而有效避免誤報(bào)警的出現(xiàn)。

現(xiàn)有的紫外光傳感器信號采集方式，是通過光敏材料在光照激發(fā)下達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，以不同光照下光敏材料電阻的差異性表征光強(qiáng)度的不同。

在這種信號采集方式的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有的紫外光敏器件產(chǎn)品，以gan類和冷陰極管類紫外光傳感器為主。gan類器件主要以gan為光敏材料，以成本高昂的gan作為襯底，同時(shí)由于工藝技術(shù)的問題，gan無法形成大面積的光敏材料，也限制了該類紫外器件的受光面積。雪崩型光電管類產(chǎn)品雖然具有靈敏度高，測試精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是需要在高電壓(220v以上)下才能進(jìn)行工作，同時(shí)，雪崩型光電管具有需要真空封裝，易破損，體積大，使用壽命不長，成本高等缺點(diǎn)，不適用于便攜式裝備和普通對測試精度要求不高的環(huán)境。硅類襯底上的氧化鋅產(chǎn)品，具有較好的光響應(yīng)，但是因?yàn)楣璞旧硎钦麕Р牧?，對可見光具有響?yīng)，會造成器件對紫外波段以外的其他光的誤響應(yīng)。而氧化鋅通過濺射等工藝制作在絕緣襯底上，其響應(yīng)速度極慢，無法滿足快速測試的需求。

另外，無論是制作在si襯底上還是制作在其它絕緣類襯底上的氧化鋅紫外傳感器，因?yàn)檠趸\材料本身的紫外響應(yīng)特點(diǎn)，導(dǎo)致在光態(tài)下，光敏材料光態(tài)電阻達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間很長，很難快速確定穩(wěn)定值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種紫外光敏傳感器的制備方法，由該方法制備得到的紫外光敏傳感器，應(yīng)用該紫外光敏傳感器的紫外光敏器件，以及基于該紫外光敏器件所實(shí)現(xiàn)的紫外光檢測方法。

第一方面，本發(fā)明提供了一種紫外光敏傳感器的制備方法，包括：

(1)制作電極：在ito導(dǎo)電玻璃表面制作第一電極和第二電極，第一電極和第二電極互不接觸；

(2)制備氧化鋅懸浮液：將粘結(jié)劑加入到有機(jī)溶劑中充分溶解得到粘結(jié)劑溶液，然后向其中加入氧化鋅納米粉體，混合均勻得到氧化鋅懸浮液；

(3)制作氧化鋅感光薄膜：將步驟(2)制備的氧化鋅懸浮液噴涂至步驟(1)制作的第一電極和第二電極表面以形成氧化鋅感光薄膜；

(4)熱處理與封裝。

第二方面，本發(fā)明提供了采用上述方法制備的紫外光敏傳感器，包括：氧化鋅感光薄膜，第一電極和第二電極；其中，

所述氧化鋅感光薄膜用于探測紫外光；

所述第一電極和所述第二電極互不接觸，位于所述氧化鋅感光薄膜的同一側(cè)，作為所述紫外光敏傳感器的電信號輸出端。

第三方面，本發(fā)明提供了一種紫外光敏器件，包括光敏元件模塊和信號采集模塊；其中，

所述光敏元件模塊是本發(fā)明第一方面的制備方法制備得到的紫外光敏傳感器或本發(fā)明第二方面的紫外光敏傳感器，用于在待測光照下光敏電阻產(chǎn)生阻值變化并輸出電信號；

所述信號采集模塊用于采集和處理與所述光敏電阻串聯(lián)的分壓電阻輸出的分壓，根據(jù)相鄰固定時(shí)間段內(nèi)的分壓差值，確定是否刷新顯示；

所述光敏元件模塊通過引出電極與所述分壓電阻串聯(lián)連接。

第四方面，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用上述紫外光敏器件的紫外光檢測方法，包括：

(1)在待測光照射下，光敏元件模塊的光敏電阻產(chǎn)生阻值變化而輸出電信號；

(2)信號采集模塊采集和處理與所述光敏電阻串聯(lián)的分壓電阻輸出的分壓，根據(jù)相鄰固定時(shí)間段內(nèi)的分壓差值，確定是否刷新顯示。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用氧化鋅粉體為原料，在有機(jī)溶劑中制備氧化鋅懸浮液，通過將該懸浮液噴涂于電極表面來制作感光薄膜，使得本發(fā)明的制備方法工藝簡單、成本低廉、適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

(2)本發(fā)明的紫外光敏傳感器以氧化鋅為光敏材料，可以有效避免紫外光波段以外的其它波段光對傳感器的干擾；相對于傳統(tǒng)的紫外光敏傳感器，本發(fā)明的紫外光敏傳感器能夠很好的避免可見光的干擾，相對于現(xiàn)有g(shù)an類紫外光敏傳感器，本發(fā)明的紫外光敏傳感器具有很好的成本優(yōu)勢。

(3)本發(fā)明的紫外光敏器件以及基于該器件的紫外光檢測方法，克服了氧化鋅光電電阻穩(wěn)定緩慢導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集時(shí)間過長的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速取值，和穩(wěn)定表征紫外光強(qiáng)度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的紫外光敏傳感器制備方法的工藝流程圖；

圖2是本發(fā)明的紫外光敏傳感器采用的叉指電極的示意圖；

圖3是本發(fā)明的紫外光敏器件的示意圖；

圖4是本發(fā)明的紫外光敏傳感器的響應(yīng)效果圖。

具體實(shí)施方式

為充分了解本發(fā)明之目的、特征及功效，借由下述具體的實(shí)施方式，對本發(fā)明做詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不僅僅限于此。

第一方面，本發(fā)明提供了一種紫外光敏傳感器的制備方法。下面結(jié)合圖1對制備方法進(jìn)行說明。

(1)制作電極

以激光刻蝕的方式在ito導(dǎo)電玻璃表面制作第一電極和第二電極，第一電極和第二電極為叉指電極對。

制作電極的目的是為了能使紫外光敏傳感器形成良好的歐姆接觸，從而有 效的在紫外光敏傳感器兩端加載工作電壓，并有效輸出紫外光敏傳感器對紫外光的電流變化。其中，第一電極和第二電極之間的距離會影響紫外光敏傳感器的光響應(yīng)度和響應(yīng)速度，第一電極和第二電極的間距優(yōu)選是50微米至500微米，更優(yōu)選是100微米。

優(yōu)選地，為了便于紫外光敏傳感器兩極與外部電路連接，還可以進(jìn)一步在第一電極和第二電極上制作引出電極，具體地，在第一電極和第二電極上焊接或粘貼引出導(dǎo)電線或?qū)щ姽苣_(如圖2所示)。其中，引出電極與第一電極和第二電極的接觸電阻會影響器件的響應(yīng)度，優(yōu)選地，接觸電阻是小于0.005歐姆。

(2)制備氧化鋅懸浮液

將粘結(jié)劑加入到有機(jī)溶劑中充分溶解得到粘結(jié)劑溶液，然后向其中加入氧化鋅納米粉體，混合均勻得到氧化鋅懸浮液。本發(fā)明的制備方法對粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑的種類沒有特殊的要求，高分子粘結(jié)劑和透明樹脂類粘結(jié)劑以及揮發(fā)性有機(jī)溶劑均可用于本發(fā)明的制備方法，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇合適的粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑，在下面的實(shí)施例中僅以乙基纖維素(ec)和無水乙醇為例進(jìn)行說明。氧化鋅納米粉體與粘結(jié)劑混合均勻能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋅感光薄膜中顆粒的有效粘結(jié)從而增強(qiáng)薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。

氧化鋅的濃度、粘結(jié)劑的含量會影響紫外光敏傳感器的響應(yīng)時(shí)間。粘結(jié)劑與有機(jī)溶劑的比例優(yōu)選是0.001-1克粘結(jié)劑：1-50毫升有機(jī)溶劑，且更優(yōu)選是0.005克粘結(jié)劑：4毫升有機(jī)溶劑。氧化鋅納米粉體與粘結(jié)劑溶液的比例優(yōu)選是0.1-2.0克氧化鋅：1-50毫升粘結(jié)劑溶液，且更優(yōu)選是1.5克氧化鋅：4毫升粘結(jié)劑溶液。

(3)制作氧化鋅感光薄膜

將氧化鋅懸浮液噴涂至第一電極和第二電極表面，噴涂時(shí)間為5秒-20秒，形成氧化鋅感光薄膜。薄膜的厚度會影響紫外光敏傳感器的響應(yīng)速度，厚度優(yōu)選是100-1000微米，且更優(yōu)選是500微米。

(4)熱處理與封裝

噴涂氧化鋅懸浮液之后，進(jìn)行熱處理，以除去薄膜內(nèi)的有機(jī)溶劑、促進(jìn)粘結(jié)劑固化并提高器件的粘結(jié)性和穩(wěn)定性。熱處理的溫度和時(shí)間會影響紫外光敏 傳感器的響應(yīng)速度，熱處理的溫度優(yōu)選是50℃-100℃，且更優(yōu)選是75℃，熱處理的時(shí)間優(yōu)選是1分鐘-30分鐘，且更優(yōu)選是5分鐘。

熱處理之后，采用透明高分子材料進(jìn)行封裝，以對器件起到保護(hù)作用，防止灰塵、水氣以及外力對氧化鋅感光薄膜的破壞。

第二方面，本發(fā)明提供了一種紫外光敏傳感器，采用上述方法制備得到。

本發(fā)明的紫外光敏傳感器為無基底紫外光敏傳感器，其包括氧化鋅感光薄膜以及第一電極和第二電極。其中，氧化鋅感光薄膜用于探測紫外光；第一電極和第二電極互不接觸，作為無基底紫外光敏傳感器的電信號輸出端。

第一電極和第二電極可以是叉指電極，位于氧化鋅感光薄膜的同一側(cè)表面，兩電極之間保持一定的距離，例如，50微米至500微米，優(yōu)選100微米。

進(jìn)一步地，為了更加容易地使紫外光敏傳感器與外部電路進(jìn)行連接，還可以在第一電極和第二電極上設(shè)置引出電極，例如，在電極上粘附引出導(dǎo)電線或?qū)щ姽苣_(如圖2所示)。

本發(fā)明的紫外光敏傳感器的制備方法工藝簡單、成本低廉、適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。得到的紫外光敏傳感器以寬禁帶的氧化鋅材料為主，僅對紫外波段光有響應(yīng)，避免了紫外波段以外的其它光對器件的影響。本發(fā)明第一方面和第二方面的技術(shù)方案也可以擴(kuò)展到氣敏、壓敏傳感器的應(yīng)用。

第三方面，本發(fā)明提供了一種紫外光敏器件，包括光敏元件模塊和信號采集模塊。其中，光敏元件模塊用于通過光敏材料在光照下產(chǎn)生阻值變化。信號采集模塊通過與光敏電阻串聯(lián)的分壓電阻輸出分壓，以該分壓值的變化表征紫外光強(qiáng)度的變化。光敏元件模塊通過引出電極與信號采集模塊連接。下面結(jié)合圖3對本發(fā)明的紫外光敏器件進(jìn)行說明。

本發(fā)明紫外光敏器件的光敏元件模塊采用本發(fā)明的紫外光敏傳感器，在待測光照下光敏電阻產(chǎn)生阻值變化并輸出電信號。

本發(fā)明紫外光敏器件的信號采集模塊依次包括穩(wěn)壓模塊、分壓信號采集模塊、信號處理模塊和顯示模塊。其中，穩(wěn)壓模塊(圖3中未示出)與分壓電阻的兩端連接，用于將分壓電阻輸出的分壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電壓，以減小電源波動造成的測試差異性。分壓信號采集模塊與穩(wěn)壓模塊連接，通過芯片時(shí)時(shí)采集穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定處理后的分壓值。信號處理模塊與分壓信號采集模塊相連，用于每隔 固定時(shí)間段(例如每1/50秒，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)具體需要來設(shè)定)計(jì)算一次分壓平均值，對相鄰固定時(shí)間段內(nèi)計(jì)算得到的分壓平均值進(jìn)行差值運(yùn)算和對比運(yùn)算。顯示模塊與信號處理模塊相連，用于當(dāng)差值運(yùn)算和對比運(yùn)算的結(jié)果大于設(shè)定值時(shí)，實(shí)時(shí)刷新顯示所采集的分壓值；當(dāng)差值運(yùn)算和對比運(yùn)算的結(jié)果小于或等于設(shè)定值時(shí)，停止刷新，顯示恒定分壓值。

第四方面，本發(fā)明提供了應(yīng)用上述紫外光敏器件所進(jìn)行的紫外光檢測方法。該方法包括如下步驟：

第一步，在待測光照射下，光敏元件模塊的光敏電阻產(chǎn)生阻值變化而輸出電信號。

第二步，信號采集模塊采集和處理與所述光敏電阻串聯(lián)的分壓電阻輸出的分壓，根據(jù)相鄰固定時(shí)間段內(nèi)的分壓差值，確定是否刷新顯示。

具體地，與光敏元件模塊串聯(lián)的分壓電阻輸出分壓，穩(wěn)壓模塊將該分壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電壓，通常，穩(wěn)壓模塊將分壓電阻輸入的5v電壓轉(zhuǎn)換為3±0.01v穩(wěn)定電壓，以減小電源波動造成的測試差異性。分壓信號采集模塊通過芯片時(shí)時(shí)采集經(jīng)穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定處理后的分壓值，數(shù)據(jù)采集頻率是500-1000次/秒。隨后，信號處理模塊對分壓信號采集模塊時(shí)時(shí)采集的分壓值進(jìn)行差值運(yùn)算和對比運(yùn)算，每1/50秒計(jì)算分壓平均值，時(shí)時(shí)刷新顯示，并在小于或等于設(shè)定值時(shí)，停止刷新，顯示模塊顯示最終數(shù)值，直至再次出現(xiàn)大于設(shè)定值時(shí)，顯示模塊重新刷新顯示。具體地，當(dāng)差值與設(shè)定值滿足(vn+1-vn)＞m時(shí)，顯示模塊刷新顯示結(jié)果；其中，vn是第n/50秒時(shí)的分壓平均值，n為正整數(shù)；m是設(shè)定值，且0.1v≤m≤0.5v，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的設(shè)定值。

本發(fā)明的紫外光敏器件以及基于該器件的紫外光檢測方法，解決了目前氧化鋅光電電阻穩(wěn)定緩慢導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集時(shí)間過長的問題，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定快速取值，并且能夠表征紫外光強(qiáng)度。

下面通過具體的實(shí)施例來闡述本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這不應(yīng)被理解為對本發(fā)明權(quán)利要求范圍的限制。實(shí)施例中所使用的各種制劑、物質(zhì)，均為常規(guī)市購得到。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的紫外光敏傳感器的制備方法如下：

(1)制作電極

以激光刻蝕的方式在ito導(dǎo)電玻璃表面刻蝕出叉指電極圖形(如圖2所示)，電極的間距300微米，在叉指電極上分別粘附引出電極。

(2)制備氧化鋅懸浮液

將粘結(jié)劑乙基纖維素0.5克溶解在50毫升無水乙醇中，攪拌至充分溶解得到粘結(jié)劑溶液；隨后再將2克氧化鋅納米粉體加入到該粘結(jié)劑溶液，攪拌至充分混合均勻得到氧化鋅懸浮液。

(3)制作氧化鋅感光薄膜

將步驟(2)制備的氧化鋅懸浮液噴涂至步驟(1)制作的叉指電極上，當(dāng)氧化鋅感光薄膜為500微米時(shí)停止噴涂。

(4)熱處理與封裝

在80℃溫度下烘15分鐘，以使除去薄膜內(nèi)的無水乙醇，隨后用亞力克板和熱溶膠進(jìn)行封裝，得到紫外光敏傳感器。

紫外光敏傳感器以電化學(xué)工作站(chi660e，上海辰華儀器)來量測傳感器的電流--時(shí)間變化，如圖4所示。

以本發(fā)明的紫外光敏器件進(jìn)行紫外光檢測。信號采集頻率是500次/秒，每1/50秒計(jì)算分壓平均值，按時(shí)間順序，相鄰值求差，設(shè)定值為0.1v，即(vn+1-vn)＜0.1v時(shí)，顯示模塊數(shù)據(jù)停止刷新，顯示為恒定值，并以此值表征此時(shí)的紫外光強(qiáng)度；當(dāng)再次出現(xiàn)(vn+1-vn)＞0.1v時(shí)，顯示模塊重新刷新顯示。

測試結(jié)果穩(wěn)定，如表1所示，不同次數(shù)測得分壓值求平均值，通過分壓數(shù)值平均值與對應(yīng)紫外光強(qiáng)度關(guān)系，可表征待測紫外光強(qiáng)度。

表1

實(shí)施例2

采用實(shí)施例1中的紫外光敏器件進(jìn)行紫外光檢測。信號采集頻率是1000次/秒，每1/50秒計(jì)算分壓平均值，按時(shí)間順序，相鄰值求差，設(shè)定值為0.5v，即(vn+1-vn)＜0.5v時(shí)，顯示模塊數(shù)據(jù)停止刷新，顯示為恒定值，并以此值表征此時(shí)的紫外光強(qiáng)度；當(dāng)再次出現(xiàn)(vn+1-vn)＞0.5v時(shí)，顯示模塊重新刷新顯示。

測試結(jié)果穩(wěn)定，如表2所示。

表2

實(shí)施例3

本實(shí)施例的紫外光敏傳感器的制備方法如下：

(1)制作電極

以激光刻蝕的方式在ito導(dǎo)電玻璃表面刻蝕出叉指電極圖形，電極的間 距50微米，在叉指電極上分別粘附引出電極。

(2)制備氧化鋅懸浮液

將粘結(jié)劑乙基纖維素0.001克溶解在1毫升無水乙醇中，攪拌至充分溶解得到粘結(jié)劑溶液；隨后再將0.1克氧化鋅納米粉體加入到該粘結(jié)劑溶液，攪拌至充分混合均勻得到氧化鋅懸浮液。

(3)制作氧化鋅感光薄膜

將步驟(2)制備的氧化鋅懸浮液噴涂至步驟(1)制作的叉指電極上，當(dāng)氧化鋅感光薄膜為100微米時(shí)停止噴涂。

(4)熱處理與封裝

在50℃溫度下烘30分鐘，以使除去薄膜內(nèi)的無水乙醇，隨后用亞力克板和熱溶膠進(jìn)行封裝，得到紫外光敏傳感器。

采用實(shí)施例1中的方法進(jìn)行紫外光檢測，測試結(jié)果穩(wěn)定。

實(shí)施例4

本實(shí)施例的紫外光敏傳感器的制備方法如下：

(1)制作電極

以激光刻蝕的方式在ito導(dǎo)電玻璃表面刻蝕出叉指電極圖形，電極的間距500微米，在叉指電極上分別粘附引出電極。

(2)制備氧化鋅懸浮液

將粘結(jié)劑乙基纖維素1克溶解在50毫升無水乙醇中，攪拌至充分溶解得到粘結(jié)劑溶液；隨后再將2.0克氧化鋅納米粉體加入到該粘結(jié)劑溶液，攪拌至充分混合均勻得到氧化鋅懸浮液。

(3)制作氧化鋅感光薄膜

將步驟(2)制備的氧化鋅懸浮液噴涂至步驟(1)制作的叉指電極上，當(dāng)氧化鋅感光薄膜為500微米時(shí)停止噴涂。

(4)熱處理與封裝

在100℃溫度下烘5分鐘，以使除去薄膜內(nèi)的無水乙醇，隨后用亞力克板和熱溶膠進(jìn)行封裝，得到紫外光敏傳感器。

采用實(shí)施例1中的方法進(jìn)行紫外光檢測，測試結(jié)果穩(wěn)定。

實(shí)施例5

本實(shí)施例的紫外光敏傳感器的制備方法如下：

(1)制作電極

以激光刻蝕的方式在ito導(dǎo)電玻璃表面刻蝕出叉指電極圖形，電極的間距100微米，在叉指電極上分別粘附引出電極。

(2)制備氧化鋅懸浮液

將粘結(jié)劑乙基纖維素0.005克溶解在4毫升無水乙醇中，攪拌至充分溶解得到粘結(jié)劑溶液；隨后再將1.5克氧化鋅納米粉體加入到該粘結(jié)劑溶液，攪拌至充分混合均勻得到氧化鋅懸浮液。

(3)制作氧化鋅感光薄膜

將步驟(2)制備的氧化鋅懸浮液噴涂至步驟(1)制作的叉指電極上，當(dāng)氧化鋅感光薄膜為500微米時(shí)停止噴涂。

(4)熱處理與封裝

在75℃溫度下烘5分鐘，以使除去薄膜內(nèi)的無水乙醇，隨后用亞力克板和熱溶膠進(jìn)行封裝，得到紫外光敏傳感器。

采用實(shí)施例1中的方法進(jìn)行紫外光檢測，測試結(jié)果穩(wěn)定。

最后，需要注意的是：以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子，當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。