CN104697661A - 基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器及其制法，本传感器从下至上包括衬底，下叉指电极对、温敏氧化石墨烯层、下隔离层、中间电极、上隔离层、上叉指电极对和湿敏氧化石墨烯层；下叉指电极对、温敏氧化石墨烯层、下隔离层构成温度敏感电容，上隔离层，上叉指电极对和湿敏氧化石墨烯层构成湿度敏感电容；下隔离层对温敏氧化石墨烯层形成完整的包封，防止湿气对温敏氧化石墨烯层产生影响；中间电极接地，使得温度敏感电容和湿度敏感电容相互隔离。温度敏感电容和湿度敏感电容采用三维叠层集成结构，节约芯片面积，同时温度敏感电容可以用于对湿度敏感电容进行温度补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器及其制备方法，属于微机电技术。
背景技术
集成温湿度传感器在工农业生产、国防航空、气象预报、医疗卫生、食品加工、环保等领域有着重要的应用。采用集成电路工艺或MEMS工艺制备的集成温湿度传感器具有功耗低、体积小、价格低、产品一致性好等优点，是目前温湿度传感器的主要形式。
2001年SPark(人名)等人提出一种集成温湿度传感器，其中，湿度传感器为叉指电容式湿度传感器，温度传感器为热敏电阻温度传感，温度传感器分布于叉指电极之间。2011年J.Courbat(人名)等人提出一种集成温湿度传感器，其中，湿度传感器为叉指电容式湿度传感器，温度传感器为热敏电阻温度传感，湿度和温度传感器并列放置。
随着石墨烯及其衍生材料的发展，相关材料也被用于温湿度传感器的研制。2011年，Cheng-Long Zhao(人名)等人提出使用氧化石墨烯作为湿度敏感材料，制成叉指结构的电容式湿度传感器，获得良好的感湿特性。2013年，Chun-HuaCai(人名)等人利用体硅制成的立体叉指结构作为敏感电容，氧化石墨烯作为温度敏感电极制备了电容式温度传感器结构，也获得良好的感温性能。氧化石墨烯既是一种感湿材料，又是一种感温材料，基于氧化石墨烯的电容式温度传感器和电容式湿度传感器都具有优异的性能，但温湿度交叉敏感问题需要解决。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器及其制备方法，通过集成结构同时测量温度和湿度参量，解决氧化石墨烯的温湿度交叉敏感的问题，并同时减小器件尺寸。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器，包括由下至上依次设置的衬底、下叉指电极对、温敏氧化石墨烯层、下隔离层、中间电极、上隔离层、上叉指电极对和湿敏氧化石墨烯层，下叉指电极对、温敏氧化石墨烯层和下隔离层构成温度敏感电容，上隔离层、上叉指电极对和湿敏氧化石墨烯层构成湿度敏感电容；下隔离层完全包覆温敏氧化石墨烯层，防止湿气对温敏氧化石墨烯层产生影响；中间电极接地，使得温度敏感电容和湿度敏感电容相互隔离。
具体的，所述温敏氧化石墨烯层覆盖下叉指电极对，下隔离层完全包覆温敏氧化石墨烯层，上隔离层覆盖中间电极，湿敏氧化石墨烯层覆盖叉指电极对。
一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备玻璃或陶瓷片作为衬底；
(2)在衬底上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成下叉指电极对；
(3)通过喷涂打印技术在下叉指电极对上形成图形化的温敏氧化石墨烯层并加热固化；
(4)采用PECVD或溅射在温敏氧化石墨烯层上淀积一层氧化硅并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成下隔离层；
(5)在下隔离层上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成中间电极；
(6)采用PECVD或溅射在中间电极上淀积一层氧化硅并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成上隔离层；
(7)在上隔离层上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成上叉指电极对；
(8)通过喷涂打印技术在上叉指电极对上形成图形化的温敏氧化石墨烯层并加热固化。
有益效果：本发明提供的基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器及其制备方法，通过三维堆叠结构将基于氧化石墨烯的电容式温度传感器和电容式湿度传感器集成在一起，在减小器件尺寸的同时，使得下方温敏氧化石墨烯层与湿气隔离，因此相对应的温度敏感电容只对温度敏感；此外，温度敏感电容的测量结果可以对湿度敏感电容的温度漂移进行修正，由此获得准确的温湿度测量结果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器，包括由下至上依次设置的衬底1、下叉指电极对2、温敏氧化石墨烯层3、下隔离层4、中间电极5、上隔离层6、上叉指电极对7和湿敏氧化石墨烯层8，下叉指电极对2、温敏氧化石墨烯层3和下隔离层4构成温度敏感电容，上隔离层6、上叉指电极对7和湿敏氧化石墨烯层8构成湿度敏感电容；温敏氧化石墨烯层3覆盖下叉指电极对2，下隔离层4完全包覆温敏氧化石墨烯层3，上隔离层6覆盖中间电极5，湿敏氧化石墨烯层8覆盖上叉指电极对7，中间电极5接地，使得温度敏感电容和湿度敏感电容相互隔离。
测量时，中间电极5接地，使得温度敏感电容和湿度敏感电容相互隔离。首先通过温度敏感电容测量温度，接着，通过湿度敏感电容获得未补偿的湿度输出，然后，利用温度测量结果对湿度输出进行温度补偿，获得准确的湿度测量结果。
一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)准备玻璃或陶瓷片作为衬底1；
(2)在衬底1上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成下叉指电极对2；
(3)通过喷涂打印技术在下叉指电极对2上形成图形化的温敏氧化石墨烯层3并加热固化；
(4)采用PECVD或溅射在温敏氧化石墨烯层3上淀积一层氧化硅并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成下隔离层4；
(5)在下隔离层4上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成中间电极5；
(6)采用PECVD或溅射在中间电极5上淀积一层氧化硅并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成上隔离层6；
(7)在上隔离层6上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成上叉指电极对7；
(8)通过喷涂打印技术在上叉指电极对7上形成图形化的温敏氧化石墨烯层8并加热固化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器，其特征在于：包括由下至上依次设置的衬底(1)、下叉指电极对(2)、温敏氧化石墨烯层(3)、下隔离层(4)、中间电极(5)、上隔离层(6)、上叉指电极对(7)和湿敏氧化石墨烯层(8)，下叉指电极对(2)、温敏氧化石墨烯层(3)和下隔离层(4)构成温度敏感电容，上隔离层(6)、上叉指电极对(7)和湿敏氧化石墨烯层(8)构成湿度敏感电容；下隔离层(4)完全包覆温敏氧化石墨烯层(3)，防止湿气对温敏氧化石墨烯层(3)产生影响；中间电极(5)接地，使得温度敏感电容和湿度敏感电容相互隔离。
2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器，其特征在于：所述温敏氧化石墨烯层(3)覆盖下叉指电极对(2)，下隔离层(4)完全包覆温敏氧化石墨烯层(3)，上隔离层(6)覆盖中间电极(5)，湿敏氧化石墨烯层(8)覆盖上叉指电极对(7)。
3.一种基于氧化石墨烯的三维集成电容式温湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)准备玻璃或陶瓷片作为衬底(1)；
(2)在衬底(1)上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成下叉指电极对(2)；
(3)通过喷涂打印技术在下叉指电极对(2)上形成图形化的温敏氧化石墨烯层(3)并加热固化；
(4)采用PECVD或溅射在温敏氧化石墨烯层(3)上淀积一层氧化硅并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成下隔离层(4)；
(5)在下隔离层(4)上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成中间电极(5)；
(6)采用PECVD或溅射在中间电极(5)上淀积一层氧化硅并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成上隔离层(6)；
(7)在上隔离层(6)上溅射或蒸发一层金属铝，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成上叉指电极对(7)；
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