CN113176300A - 一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器 - Google Patents

一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器 Download PDF

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喻彬璐
罗雨萌
陈亮
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Abstract

本发明公开了一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器，该湿度传感器由人造蛋白石湿敏材料和氮化镓(GaN)光电微芯片组成。人造蛋白石湿敏薄膜覆于GaN光电微芯片表面，GaN光电微芯片采用半导体工艺中的光刻、刻蚀、沉积等方式制备，芯片具备在低电耗下同时完成快速发射和接收光信号能力。本发明高效且成本低，湿度测试范围广，线性度好，灵敏度高，可以有效监测人体呼吸频率和呼吸之间气体湿度变化。

Description

一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器
技术领域
本发明涉及半导体传感器领域，具体涉及一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器。
背景技术
湿度是一个可以影响人类感知的环境物理参数，人类的诸多生产活动也同湿度息息相关，如食品储藏、农业种植、气相测量等，精确快速测量出各种环境下的湿度值对于科学指导生产活动有着重要意义。目前市面上常采用的电阻式湿度传感器虽然构造简单，生产成本低，但普遍存在低湿度检出难度高、互换性差(电阻式传感器特性是对数变化，如不进行对数转换等的处理，将不能得到线性特征)的缺点；另一种常用的是电容式湿度传感器，它具有检测范围宽，并能够检测到低湿度值(接近0)，线性度好，但也存在变化量小、设计度小(必须考虑引线间的容量)；还有一种是基于光纤传感的湿度传感器，这类传感器虽然响应速度快，但是装置是分立式，不够简便，线性度也较差。
目前常用的湿敏材料也有很多种，譬如氧化石墨烯、碳纳米管、氯化锂、氯化钴、二氧化钛纳米阵列等，这些湿敏材料要么面临制备成本高，工艺复杂，要么稳定性差或者生物相容性差。人造蛋白石常用于装饰美观之用，能够低成本大量生产，具有良好的生物相容性，主要成分是无定形二氧化硅，还未有文献报道其用作湿敏材料用途。
传统医学手段测量人的呼吸状态需要探入鼻孔，使用体验较差。近年来现代医学用上各类温差、声波或者压电传感器来实现对人体呼吸健康参数的实时记录效果都不甚理想，急需开发一种非探入式、高效且便携的传感器达到这一目标。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供了一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器。该湿度传感器测试湿度范围广，线性度好，稳定性和灵敏度高，可以有效监测人体呼吸频率和呼吸之间气体湿度变化，且功耗、成本低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器，包括人造蛋白石湿敏材料和GaN光电微芯片。
所述的人造蛋白石湿敏材料制备方法如下所示：
A.将块体人造蛋白石置于家用破碎机或者球磨机中，工作运行5～10min即可得到人造蛋白石粉末；
B.取配置好的王水与人造蛋白石粉末混合清洗，之后再用去离子水进行清洗2～5次，最终将提纯好的人造蛋白石粉末与超纯水按照0.01～2g/mL质量比例混合超声分散，超声时长10～30min。
所述的GaN光电微芯片是将GaN材质的电致发光和光电感光功能单元集成到同一微平台上，实现一体化，感光单元转化成的光电流大小变化正是由于接收到的光量变化引起。
所述发光单元的发光波长范围在390nm～780nm。
所述的GaN光电微芯片发光单元区域表面面积是收光单元表面面积的0.1～0.6倍，被感光单元区域环绕，该结构能有效放大检测光电流信号。
所述的GaN光电微芯片发光单元和感光单元之间存在沟槽，两个区域是电绝缘的。
所述的GaN光电微芯片发光单元和感光单元具有相同组分和结构。
所述的GaN光电微芯片制备方法是通过金属有机气相沉积法或分子束外延的方式在蓝宝石衬底上自下而上分别沉积生长缓冲层氮化镓、N型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、P型GaN层，再在P型GaN层上沉积电流扩展层。为了提高出光效率，可以进一步沉积反射层。使用半导体微纳加工方法形成上述发光和感光单元特定结构，其中所述半导体微纳加工方法包括光刻、刻蚀和金属沉积以及激光切割锯来获取上述氮化镓光电微芯片。
所述的光电湿度传感器采用喷涂、旋涂或滴涂的方式将所述的人造蛋白石材料涂覆于所述的GaN光电微芯片表面形成湿敏薄膜。再置于加热台或者烘箱中，在70～100℃下干燥5～10min。
所述的光电湿度传感器用途既可以用于精确快速测量相对湿度的变化，还可以监测人体呼吸频率和呼吸状态。
与现有技术相比，本发明具有以下积极有益效果
(1)本发明制备的光电湿度传感器同时满足测量湿度范围宽、线性度好、灵敏度高的优点，同时具有生产成本低、大批量制备、低功耗、响应速度快、循环稳定性能优异等优点；
(2)本发明制备的人工蛋白石湿敏材料生物相容性好、对水分敏感，工艺简单、成本低、满足快速大批量生产需要；
(3)本发明所述的光电湿度传感器能有效准确监测人体呼吸频率和呼吸状态，体验感较好，在医疗诊断领域有着极大的前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明制备的纯化后人造蛋白石湿敏材料的物化性质：(a)xrd；(b)SEMEDS。
图2为本发明所述的光电湿度传感器光学照片。
图3为本发明所述的光电湿度传感器实时光电流响应曲线。
图4为本发明所述的光电湿度传感器光电流与相对湿度的线性曲线(包括加湿和去湿两个过程)。
图5本发明所述的光电湿度传感器长时间循环曲线。
图6为本发明所述的光电湿度传感器结构工作机理示意图。
图7为本发明所述的光电湿度传感器应用于呼吸频率和呼吸湿度变化测量：(a)志愿者测试照片；(b)光电流实时响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例1
人造蛋白石湿敏材料的制备：将块体人造蛋白石置于家用破碎机或者球磨机中，工作运行5～10min，长于该时间亦可，即可得到人造蛋白石粉末。取配置好的王水与人造蛋白石粉末混合清洗，之后再用去离子水进行清洗2～5次，最终将提纯好的人造蛋白石粉末与超纯水按照0.01～2g/mL质量比例混合超声分散，超声时长10～30min。纯化后的人造蛋白石材料物化性质如图1所示，图1(a)的xrd结果表明纯化后的人造蛋白石是种无定形物质，图1(b)的SEM EDX结果表明纯化后的人造蛋白石所含元素是Si和O两种，无其它杂质，表明材料纯化彻底，符合实际成分。
实施例2
GaN光电微芯片的制备：通过金属有机气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石衬底上自下而上分别沉积生长缓冲层氮化镓、N型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、P型GaN层，再在P型GaN层上沉积电流扩展层。为了提高出光效率，可以进一步沉积反射层。电流扩展层可以是Ni/Au或者氧化铟锡(ITO)，有助出射光更加均匀。反射层可以是Al、Ag或者分布式布拉格反射器(DBR)。使用半导体微纳加工方法形成上述发光和感光单元特定结构，其中所述半导体微纳加工方法包括光刻、刻蚀和金属沉积以及激光切割锯来获取上述氮化镓光电微芯片。
在本实施例中，电流扩展层选择氧化铟锡，反射层是Ag膜，发光单元的表面面积远小于单片集成的感光单元的表面面积。GaN光电微芯片表面积为1*1mm大小，发光单元处于芯片中心位置，发光波长定在530nm左右，形状为正六边形，表面面积为0.3mm2。所述GaN光电微芯片可以根据其应用场景预定大小。确定GaN光电微芯片上发光单元和感光单元的形状、尺寸和相对定位基于设备的目标应用而被确定，并且因此不限于本文中所提供的示例。
实施例3
光电湿度传感器的制备和环境相对湿度(RH)的实时测量：采用喷涂、旋涂或滴涂的方式将所述的人造蛋白石材料涂覆于所述的GaN光电微芯片表面形成湿敏薄膜。本实施例选用滴涂方式，用100ml规格移液枪取一滴实施例1中的0.5g/ml浓度人造蛋白石水溶液滴于GaN光电微芯片表面，再置于加热台上，在70℃下干燥5min。从图2的光学显微镜图片可以清楚看出蛋白石薄膜紧紧贴附于芯片表面，薄膜表面厚度均匀。除了通过不同浓度的人造蛋白石水溶液来控制湿敏材料厚度，还可以通过控制滴涂于芯片表面的液滴大小来达到薄膜厚度的调控。
制备好上述光电湿度传感器后，将其置于一个自制反应腔内，该反应腔与机械泵相连，主要是为了测试低湿度值，加湿通过一个商用小加湿器完成。而环境内真实相对湿度的校准和标定利用一商用湿度元件SHT35完成。光电湿度传感器实时光电流响应曲线如图3所示，表明加湿过程光电流逐渐减小，去湿过程光电流逐渐增加，并能回到初始值，相对湿度(RH)测试范围为3.77％～95％,响应时间为31.47s，恢复时间为2.98s，光电流变化达到29.8％。图4表明不管去湿还是加湿过程光电流与相对湿度在整个相对湿度范围(3.77～95％)都能够具有优异的线性度，且两个过程相差误差低于6％。图5的长期循环性曲线表明湿度传感器在低湿(3.77％)和高湿(95％)之间经历26个循环后仍能保持极佳的稳定性。
本发明光电湿度传感器工作感应原理如图6所示。它是利用相对湿度变化引起蓝宝石衬底和人造蛋白石湿敏薄膜界面的光学性质发生变化，主要是人造蛋白石加湿后发射率下降，导致感光单元处接收到的光量减少，最终导致光电流下降。去湿过程则是水脱离人造蛋白石后界面处反射率增加，所以光电流重新上升。
实施例4
呼吸频率和呼吸湿度变化量的实时测量：图7(a)是一志愿者演示带N95口罩呼吸照片。图7(b)清楚说明本发明能实时监测人的呼吸频率，包括正常状态和急促状态下的频率，响应时间达到0.786s，恢复时间为1.2576s。除此之外，带N95口罩时光电流的变化比不戴高3倍以上，能有效识别呼吸湿度变化量。验证其在穿戴医疗方面的巨大前景。

Claims (10)

1.一种基于人造蛋白石湿敏材料的光电湿度传感器，其特征在于包括人造蛋白石湿敏材料和GaN光电微芯片。
2.根据权利要求1所述的人造蛋白石湿敏材料，其特征在于，制备方法如下所示：
a.将块体人造蛋白石置于家用破碎机或者球磨机中，工作运行5～10min即可得到人造蛋白石粉末；
b.取配置好的王水与人造蛋白石粉末混合清洗，之后再用去离子水进行清洗2～5次，最终将提纯好的人造蛋白石粉末与超纯水按照0.01～2g/mL质量比例混合超声分散，超声时长10～30min。
3.根据权利要求1所述的GaN光电微芯片，其特征在于将GaN材质的电致发光和光电感光功能单元集成到同一微平台上，实现一体化。
4.根据权利要求3所述的GaN光电微芯片，其特征在于发光单元的发光波长范围在390nm～780nm。
5.根据权利要求3所述的GaN光电微芯片，其特征在于发光单元区域表面面积是收光单元表面面积的0.1～0.6倍，被感光单元区域环绕，该结构能有效放大检测光电流信号。
6.根据权利要求3所述的GaN光电微芯片，其特征在于，所述发光单元和感光单元之间存在沟槽，两个区域是电绝缘的。
7.根据权利要求3所述的GaN光电微芯片，其特征在于，所述发光单元和感光单元具有相同组分和结构。
8.根据权利要求3～6任一所述的GaN光电微芯片，其制备方法是通过金属有机气相沉积法或分子束外延的方式在蓝宝石衬底上自下而上分别沉积生长缓冲层氮化镓、N型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、P型GaN层，再在P型GaN 层上沉积电流扩展层，为了提高出光效率，可以进一步沉积反射层，使用半导体微纳加工方法形成上述发光和感光单元特定结构，其中所述半导体微纳加工方法包括光刻、刻蚀和金属沉积以及激光切割锯来获取上述氮化镓光电微芯片。
9.根据权利要求1所述的光电湿度传感器，其特征在于，采用喷涂、旋涂或滴涂的方式将权利要求2所述的人造蛋白石材料涂覆于权利要求3～7任一所述的GaN光电微芯片表面形成湿敏薄膜，再置于加热台或者烘箱中，在70～100℃下干燥5～10min。
10.本发明所述的光电湿度传感器能有效准确监测人体呼吸频率和呼吸状态，体验感较好，在医疗诊断领域有着极大的前景。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113884440A (zh) * 2021-09-29 2022-01-04 京东方科技集团股份有限公司 光学湿度检测组件和光学湿度检测装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101777651A (zh) * 2009-01-12 2010-07-14 比亚迪股份有限公司 一种硅负极材料及其制备方法以及使用该材料的锂电池
CN103043931A (zh) * 2011-10-11 2013-04-17 旭化成化学株式会社 粉体、成形体、包覆体及粉体的制造方法
CN106040114A (zh) * 2016-05-24 2016-10-26 华中科技大学 一种水凝胶光子晶体微球及其制备与应用
CN110265864A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 厦门大学 一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101777651A (zh) * 2009-01-12 2010-07-14 比亚迪股份有限公司 一种硅负极材料及其制备方法以及使用该材料的锂电池
CN103043931A (zh) * 2011-10-11 2013-04-17 旭化成化学株式会社 粉体、成形体、包覆体及粉体的制造方法
CN106040114A (zh) * 2016-05-24 2016-10-26 华中科技大学 一种水凝胶光子晶体微球及其制备与应用
CN110265864A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 厦门大学 一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUMENG LUO ET AL.: "Micro Humidity Sensor Based on a GaN Chip With Silica Opal", 《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》 *
白春华 著: "《非金属矿物基二氧化钛制备、改性及废水处理技术》", 31 December 2015, 中国矿业大学出版社 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113884440A (zh) * 2021-09-29 2022-01-04 京东方科技集团股份有限公司 光学湿度检测组件和光学湿度检测装置

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