CN107422031A - 基于表面声波的湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

基于表面声波的湿度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于表面声波的湿度传感器及其制造方法，所述湿度传感器包括压电薄膜、叉指电极、反射金属栅以及位于叉指电极区域的用于吸收水分子的敏感材料。在叉指电极加上AC电压时，压电薄膜表面产生表面声波，通过比较吸收水分前后的表面声波的谐振频率变化，可以获得水分子的浓度。相比于现有的体声波为MHz数量级，本发明的压电薄膜表面声波的频率可高于1GHz，使得吸收水分后谐振频率的变化值较大，从而大大提高湿度传感器的灵敏度。另外，表面声波可以通过反射金属栅反射加强，以进一步提高湿度传感器的灵敏度。本发明结构及制备方法简单，在传感器设计及制备领域具有广泛的应用前景。

Description

基于表面声波的湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器及其制备方法，特别是涉及一种基于表面声波的湿度传感器及其制备方法。
背景技术
在半导体工业中，残留水份是半导体工业中需要特别关注的因素之一。例如，EPI工艺气体(H2、N2、TCS)中，如果残留有水分子，将可能大大降低少数载流子寿命和导致雾化的产生。
在实际生产中，半导体企业通常采用连续质量控制系统(continuous qualitycontrol system)来监测不同气体的质量。针对H2O在气体中的含量的检测，连续控制系统中最主要的设备是微石英天平(QCM，Quartz Crystal Microbalance)。现有的一种微石英天平如图1所示，其包括中间的石英层已经覆盖于所述石英层上下表面的金属电极，当金属电极上加上AC电压时，石英中会产生一个体声波，然后输出一个特定的谐振频率f0，湿度传感器的原理是，当石英表面吸收水分子以后，会造成其谐振频率发生漂移△f，依据谐振频率的漂移量可以得出石英表面吸收的水分子的质量△m，其关系如下式所示：
其中，f0为器件的固有谐振频率，A表示涂覆于所述石英层表面的金属电极的面积，μ和ρ分别表示石英的剪切模量以及晶体密度。
然而，一般器件的固有谐振频率f0是非常低的，范围通常为几个MHz，因此，现有的微石英天平并不能满足高灵敏度湿度探测的要求。
基于以上所述，提供一种高灵敏度的湿度传感器及其制造方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于表面声波的湿度传感器及其制备方法，用于解决现有技术中湿度传感器灵敏度较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于表面声波的湿度传感器的制造方法，包括步骤：步骤1)，提供一基底，于所述基底表面形成压电薄膜；步骤2)，于所述压电薄膜上制作叉指电极以及位于所述叉指电极两侧的反射金属栅；步骤3)，于所述叉指电极及压电薄膜表面形成敏感材料。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，步骤1)所述的基底包括硅衬底及玻璃衬底中的一种。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，步骤1)中，采用磁控溅射法于所述基底表面形成压电薄膜，所述压电薄膜包括ZnO及AlN中的一种，其厚度范围为1～1.8μm。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，步骤2)包括步骤：步骤2-1)，于所述压电薄膜表面形成阻挡层；步骤2-2)，于所述阻挡层中形成与叉指电极以及位于所述叉指电极两侧的反射金属栅对应的窗口，露出压电薄膜；步骤2-3)，于所述窗口内的压电薄膜表面以及阻挡层表面沉积金属层；步骤2-4)，去除所述阻挡层同时剥离所述阻挡层表面的金属层，形成位于所述压电薄膜上的叉指电极以及位于所述叉指电极两侧的反射金属栅。
优选地，所述阻挡层的材料包括PMMA材料、ZEP材料、HSQ材料中的一种。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，所述金属层包括Cr/Au层、Al层及W层中的一种，厚度范围为50～100nm。
优选地，所述Cr/Au层中，Cr层的厚度范围为5～10nm，Au层的厚度范围为45～95nm。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，所述叉指电极的周期为400～3200nm(等效声表面波波长为400～3200nm)。每个叉指的宽度和间距相等，且范围为100～800nm。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，所述反射金属栅包括多个平行间隔排列的金属条，所述反射金属栅的周期为200～1600nm(等效声表面波波长为400～3200nm)。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制造方法的一种优选方案，步骤3)中，采用旋涂工艺于所述叉指电极及压电薄膜表面形成敏感材料，所述敏感材料包括MoS2，所述MoS2采用液相剥离法制备。
本发明还提供一种基于表面声波的湿度传感器，所述湿度湿度传感器包括：基底；压电薄膜，形成于所述基底表面；叉指电极，形成于所述压电薄膜表面；反射金属栅，形成于所述压电薄膜表面，且位于叉指电极的两侧；以及敏感材料，形成于所述叉指电极及压电薄膜表面。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的一种优选方案，所述基底包括硅衬底及玻璃衬底中的一种。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的一种优选方案，所述压电薄膜包括ZnO及AlN中的一种，其厚度范围为1～1.8μm。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的一种优选方案，所述叉指电极及反射金属栅的厚度范围为50～100nm，材料包括Cr/Au、Al及W中的一种。
优选地，所述叉指电极及反射金属栅为Cr/Au层，其中，Cr层的厚度范围为5～10nm，Au层的厚度范围为45～95nm。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的一种优选方案，所述叉指电极的周期为400～3200nm(等效声表面波波长为400～3200nm)。每个叉指的宽度和间距相等，且范围为100～800nm。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的一种优选方案，所述反射金属栅包括多个平行间隔排列的金属条，所述反射金属栅的周期为200～1600nm(等效声表面波波长为400～3200nm)。
作为本发明的基于表面声波的湿度传感器的一种优选方案，所述敏感材料包括MoS2。
如上所述，本发明的基于表面声波的湿度传感器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明提供了一种高灵敏度的湿度传感器，其包括压电薄膜、叉指电极、反射金属栅以及位于叉指电极区域的用于吸收水份的敏感材料。在叉指电极加上AC电压时，压电薄膜表面产生表面声波，通过比较吸收水份前后的表面声波的谐振频率变化，可以获得水分子的浓度。相比于现有的体声波为MHz数量级，本发明的压电薄膜表面声波的频率可达GHz数量级，使得吸收水分后谐振频率的变化值较大，从而大大提高湿度传感器的灵敏度。另外，表面声波可以通过反射金属栅反射加强，以进一步提高湿度传感器的灵敏度。本发明结构及制备方法简单，在传感器设计及制备领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示为现有技术中基于体声波湿度传感器的结构示意图。
图2～图8显示为本发明的基于表面声波的湿度传感器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
图9显示为本发明的玻璃衬底上的ZnO压电薄膜的X射线衍射图。
图10显示为采用旋涂工艺于叉指电极及压电薄膜表面形成MoS2的扫描电镜图。
图11显示为本发明的湿度传感器在吸收水分后谐振频率的变化结果图。
图12显示为本发明的MoS2基湿度传感器在3000ppm的水分子的谐振频率随时间的变化图。
元件标号说明
101 基底
102 压电薄膜
103 阻挡层
104 窗口
105 金属层
106 叉指电极
107 反射金属栅
108 敏感材料
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2～图8所示，本实施例提供一种基于表面声波的湿度传感器的制造方法，包括步骤：
如图2所示，首先进行步骤1)，提供一基底101，于所述基底101表面形成压电薄膜102；
作为示例，步骤1)所述的基底101包括硅衬底及玻璃衬底中的一种，在本实施例中，所述基底101为玻璃衬底，玻璃衬底相比于硅衬底来说，价格低廉，可以大大降低湿度传感器的制备成本。
作为示例，步骤1)中，采用磁控溅射法于所述基底101表面形成压电薄膜102，所述压电薄膜102包括ZnO及AlN中的一种，其厚度范围为1～1.8μm。在本实施例中，所述压电薄膜102为ZnO，形成于玻璃衬底上的ZnO压电薄膜102的X射线衍射图如图9所示，由图可见，ZnO材料在剥离衬底上具有良好的结晶性能。
如图3～图6所示，然后进行步骤2)，于所述压电薄膜102上制作叉指电极106以及位于所述叉指电极106两侧的反射金属栅107。
具体地，步骤2)包括步骤：
如图3所示，首先进行步骤2-1)，于所述压电薄膜102表面形成阻挡层103。
作为示例，所述阻挡层103的材料包括PMMA材料、ZEP材料、HSQ材料中的一种。
如图4所示，然后进行步骤2-2)，于所述阻挡层103中形成与叉指电极106以及位于所述叉指电极106两侧的反射金属栅107对应的窗口104，露出压电薄膜102。
如图5所示，接着进行步骤2-3)，于所述窗口104内的压电薄膜102表面以及阻挡层103表面沉积金属层105。
作为示例，所述金属层105包括Cr/Au层、Al层及W层中的一种，厚度范围为50～100nm。
在本实施例中，所述金属层105为Cr/Au层，所述Cr/Au层中，Cr层的厚度范围为5～10nm，Au层的厚度范围为45～95nm。所述Cr/Au层与压电薄膜102具有良好的结合性能，可以大大提高器件的稳定性。
如图6所示，最后进行步骤2-4)，去除所述阻挡层103同时剥离所述阻挡层103表面的金属层105，形成位于所述压电薄膜102上的叉指电极106以及位于所述叉指电极106两侧的反射金属栅107。
作为示例，所述叉指电极106的周期为400～3200nm。每个叉指的宽度范围为100～800nm。在本实施例中，所述叉指电极106的周期为2400nm。每个叉指的宽度为600nm，每个叉指的间距为600nm(等效声表面波波长为2400nm)。
作为示例，所述反射金属栅107包括多个平行间隔排列的金属条，所述反射金属栅107的周期为200～1600nm。在本实施例中，所述反射金属栅107的周期为1200nm，每个金属条的宽度为600nm，每个金属条的间距为600nm(等效声表面波波长为2400nm)。
如图7～图8所示，最后进行步骤3)，于所述叉指电极106及压电薄膜102表面形成敏感材料108。
作为示例，步骤3)中，采用旋涂工艺于所述叉指电极106及压电薄膜102表面形成敏感材料108，所述敏感材料108包括MoS2，所述MoS2采用液相剥离法制备。
采用旋涂工艺于所述叉指电极106及压电薄膜102表面形成MoS2的扫描电镜图如图10所示，本发明的MoS2基湿度传感器在3000ppm的水分子的谐振频率随时间的变化图如图12所示，从图中可以看出，在湿度传感器吸收水分子后，其谐振频率变化明显，f0为1GHz以上，△f可达0.001GHz左右，相比于传统的QCM湿度传感器来说，灵敏度大大的提高。
本实施例的湿度传感器的俯视结构如图8所示，在叉指电极106加上AC电压时，压电薄膜102表面产生表面声波，通过比较吸收水分子前后的表面声波的谐振频率变化，可以获得水分子的浓度。相比于现有的体声波为MHz数量级，本发明的压电薄膜102表面声波的频率可达1GHz，使得吸收水分子后谐振频率的变化值较大如图11所示，从而大大提高湿度传感器的灵敏度。另外，表面声波可以通过反射金属栅107反射加强，以进一步提高湿度传感器的灵敏度。
如图7及图8所示，本实施例还提供一种基于表面声波的湿度传感器，所述湿度传感器包括：基底101；压电薄膜102，形成于所述基底101表面；叉指电极106，形成于所述压电薄膜102表面；反射金属栅107，形成于所述压电薄膜102表面，且位于叉指电极106的两侧；以及敏感材料108，形成于所述叉指电极106及压电薄膜102表面。
作为示例，所述基底101包括硅衬底及玻璃衬底中的一种。
作为示例，所述压电薄膜102包括ZnO及AlN中的一种，其厚度范围为1～1.8μm。
作为示例，所述叉指电极106及反射金属栅107的厚度范围为50～100nm，材料包括Cr/Au、Al及W中的一种。优选地，所述叉指电极106及反射金属栅107为Cr/Au层，其中，Cr层的厚度范围为5～10nm，Au层的厚度范围为45～95nm。
作为示例，所述叉指电极106的周期为400～3200nm。每个叉指的宽度范围为100～800nm。
作为示例，所述反射金属栅107包括多个平行间隔排列的金属条，所述反射金属栅107的周期为200～1600nm。
作为示例，所述敏感材料108包括MoS2。
如上所述，本发明的基于表面声波的湿度传感器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明提供了一种高灵敏度的湿度传感器，其包括压电薄膜102、叉指电极106、反射金属栅107以及位于叉指电极106区域的用于吸收水分的敏感材料108。在叉指电极106加上AC电压时，压电薄膜102表面产生表面声波，通过比较吸收水分前后的表面声波的谐振频率变化，可以获得水分子的浓度。相比于现有的体声波为MHz数量级，本发明的压电薄膜102表面声波的频率可达1GHz，使得吸收水分子后谐振频率的变化值较大，从而大大提高湿度传感器的灵敏度。另外，表面声波可以通过反射金属栅107反射加强，以进一步提高湿度传感器的灵敏度。本发明结构及制备方法简单，在传感器设计及制备领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1)，提供一基底，于所述基底表面形成压电薄膜；
步骤2)，于所述压电薄膜上制作叉指电极以及位于所述叉指电极两侧的反射金属栅；
步骤3)，于所述叉指电极及压电薄膜表面形成敏感材料。
2.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：步骤1)所述的基底包括硅衬底及玻璃衬底中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：步骤1)中，采用磁控溅射法于所述基底表面形成压电薄膜，所述压电薄膜包括ZnO及AlN中的一种，其厚度范围为1～1.8μm。
4.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：步骤2)包括步骤：
步骤2-1)，于所述压电薄膜表面形成阻挡层；
步骤2-2)，于所述阻挡层中形成与叉指电极以及位于所述叉指电极两侧的反射金属栅对应的窗口，露出压电薄膜；
步骤2-3)，于所述窗口内的压电薄膜表面以及阻挡层表面沉积金属层；
步骤2-4)，去除所述阻挡层同时剥离所述阻挡层表面的金属层，形成位于所述压电薄膜上的叉指电极以及位于所述叉指电极两侧的反射金属栅。
5.根据权利要求4所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述阻挡层的材料包括PMMA材料、ZEP材料、HSQ材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述金属层包括Cr/Au层、Al层及W层中的一种，厚度范围为50～100nm。
7.根据权利要求6所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述Cr/Au层中，Cr层的厚度范围为5～10nm，Au层的厚度范围为45～95nm。
8.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述叉指电极的周期为400～3200nm，其等效声表面波波长为400～3200nm，每个叉指的宽度和间距相等，且范围为100～800nm。
9.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述反射金属栅包括多个平行间隔排列的金属条，所述反射金属栅的周期为200～1600nm，其等效声表面波波长为400～3200nm。
10.根据权利要求1所述的基于表面声波的湿度传感器的制造方法，其特征在于：步骤3)中，采用旋涂工艺于所述叉指电极及压电薄膜表面形成敏感材料，所述敏感材料包括MoS2，所述MoS2采用液相剥离法制备。
11.一种基于表面声波的湿度传感器，其特征在于，包括：
基底；
压电薄膜，形成于所述基底表面；
叉指电极，形成于所述压电薄膜表面；
反射金属栅，形成于所述压电薄膜表面，且位于叉指电极的两侧；
敏感材料，形成于所述叉指电极及压电薄膜表面。
12.根据权利要求11所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述基底包括硅衬底及玻璃衬底中的一种。
13.根据权利要求11所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述压电薄膜包括ZnO及AlN中的一种，其厚度范围为1～1.8μm。
14.根据权利要求11所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述叉指电极及反射金属栅的厚度范围为50～100nm，材料包括Cr/Au、Al及W中的一种。
15.根据权利要求14所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述叉指电极及反射金属栅为Cr/Au层，其中，Cr层的厚度范围为5～10nm，Au层的厚度范围为45～95nm。
16.根据权利要求11所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述叉指电极的周期为400～3200nm，其等效声表面波波长为400～3200nm，每个叉指的宽度和间距相等，且范围为100～800nm。
17.根据权利要求11所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述反射金属栅包括多个平行间隔排列的金属条，所述反射金属栅的周期为200～1600nm，其等效声表面波波长为400～3200nm。
18.根据权利要求11所述的基于表面声波的湿度传感器，其特征在于：所述敏感材料包括MoS2。
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