CN113311024B

CN113311024B - 一种自驱动湿度传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN113311024B
Application number: CN202110730961.8A
Authority: CN
Inventors: 王玉生; 孙宝全
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2041-06-29
Also published as: CN113311024A

Abstract

本发明公开了一种自驱动湿度传感器及其制备方法，该自驱动湿度传感器包括半导体基底，半导体基底的正面刻蚀有纳米结构，半导体基底的正面围绕纳米结构制备有介电层，介电层上制备有悬浮电极，悬浮电极与纳米结构之间设有间隙，悬浮电极上位于所述纳米结构上方刻蚀有孔道结构，半导体基底的背面制备有底电极，底电极和悬浮电极上均连接有导线。本发明的湿度传感器无需额外电源，可实现湿度相关电信号的直接输出。本发明湿度传感器的自驱动特性使得该传感器对湿度的响应速度很快，达到毫秒级别。本发明的湿度传感器结构简单，有利于降低生产成本，且与传统半导体工艺相兼容，有利于产品集成。

Description

一种自驱动湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及湿度传感器技术领域，特别涉及一种自驱动湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

各种湿度传感器进行简单的介绍。

1、氯化锂湿度传感器

(1)电阻式氯化锂湿度计

第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。

氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20％RH以内。例如0.05％的浓度对应的感湿范围约为(80～100)％RH，0.2％的浓度对应范围是(60～80)％RH等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为(15～100)％RH，国外有些产品声称其测量范围可达(2～100)％RH。

(2)露点式氯化锂湿度计

露点式氯化锂湿度计是由美国的Forboro公司首先研制出来的，其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似，但工作原理却完全不同。简而言之，它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。

2、碳湿敏元件

碳湿敏元件是美国的E.K.Carver和C.W.Breasefield于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过±5％RH，时间常数在正温时为2～3s，滞差一般在7％左右，比阻稳定性亦较好。

3、氧化铝湿度计

氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小(例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重)，灵敏度高(测量下限达-110℃露点)，响应速度快(一般在0.3s到3s之间)，测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题。

4、陶瓷湿度传感器

在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于1980年研制成称之为“湿瓷-Ⅱ型”和“湿瓷-Ⅲ型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。

综上所述，现有的湿度传感器均需要额外的电源输入，提高了器件的功耗，增加了结构的复杂性，同时现有湿度传感器存在响应速度慢，成本高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题的是提供一种无需额外电源、响应速度快、成本低的自驱动湿度传感器。

为了解决上述问题，本发明提供了一种自驱动湿度传感器，其包括：

半导体基底，所述半导体基底的正面刻蚀有纳米结构，所述半导体基底的正面围绕所述纳米结构制备有介电层，所述纳米结构和介电层上制备有悬浮电极，所述悬浮电极上位于所述纳米结构上方刻蚀有孔道结构，所述半导体基底的背面制备有底电极，所述底电极和悬浮电极上均连接有导线。

作为本发明的进一步改进，所述半导体基底为单晶硅、锗、砷化镓中的一种或多种，所述介电层为氧化硅、氧化铝、氧化铪中的一种或多种，所述底电极为金、铂、银、铝、铜中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述纳米结构为纳米线或纳米孔，所述孔道结构为圆孔或栅格。

作为本发明的进一步改进，所述悬浮电极为碳、碳纳米管、石墨烯、金、铂、银中的一种或多种相互组合的复合电极。

本发明还提供了一种自驱动湿度传感器的制备方法，其包括以下步骤：

对半导体基底的正面进行图案化处理；

在半导体基底的正面裸露区域制备介电层，在所述介电层上制备保护层，并进行去图案化；

在所述半导体基底的正面未制备介电层区域刻蚀纳米结构；

在所述纳米结构和介电层上制备悬浮电极，所述悬浮电极与纳米结构之间设有间隙，在所述悬浮电极上位于所述纳米结构上方刻蚀孔道结构；

在所述半导体基底的背面制备底电极；

将导线连接至所述底电极和悬浮电极上。

作为本发明的进一步改进，所述在所述半导体基底的正面未制备介电层区域刻蚀纳米结构，包括：在所述半导体基底的正面未制备介电层区域利用干法离子刻蚀或金属辅助湿法刻蚀法刻蚀纳米结构。

作为本发明的进一步改进，所述在半导体基底的正面裸露区域制备介电层，包括：利用磁控溅射或原子层沉积法在半导体基底的正面裸露区域制备介电层。

作为本发明的进一步改进，所述对半导体基底的正面进行图案化处理，包括：通过光刻或掩膜板对半导体基底的正面进行图案化处理。

作为本发明的进一步改进，在所述半导体基底的背面制备底电极，包括：通过热蒸镀的方法在所述半导体基底的背面制备底电极。

作为本发明的进一步改进，在对半导体基底的正面进行图案化处理之前，还包括步骤：

对半导体基底进行清洗。

本发明的有益效果：

(1)本发明的湿度传感器无需额外电源，可实现湿度相关电信号的直接输出。

(2)本发明湿度传感器的自驱动特性使得该传感器对湿度的响应速度很快，达到毫秒级别。

(3)本发明的湿度传感器结构简单，有利于降低生产成本。

(4)与传统半导体工艺相兼容，有利于产品集成。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明优选实施例中自驱动湿度传感器的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中自驱动湿度传感器的水伏效应原理图；

图3是本发明优选实施例中自驱动湿度传感器的制备方法示意图；

图4是本发明优选实施例中金属离子辅助刻蚀的制备的垂直硅纳米阵列的电子显微镜图；

图5是本发明优选实施例中自驱动传感器的响应速度测试图。

标记说明：1、半导体基底；2、纳米结构；3、介电层；4、悬浮电极；5、孔道结构；6、底电极；7、光刻胶；8、保护层；11、单晶硅片；21、硅纳米线阵列；51、碳纳米管多孔电极；61、铝电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明优选实施例中自驱动湿度传感器包括半导体基底1，所述半导体基底1的正面刻蚀有纳米结构2，所述半导体基底1的正面围绕所述纳米结构2制备有介电层3，所述纳米结构2和介电层3上制备有悬浮电极4，所述悬浮电极4上位于所述纳米结构2上方刻蚀有孔道结构5，所述半导体基底1的背面制备有底电极6，所述底电极6和悬浮电极4上均连接有导线。

可选的，所述半导体基底1为单晶硅、锗、砷化镓中的一种或多种，所述介电层3为氧化硅、氧化铝、氧化铪中的一种或多种，所述底电极6为金、铂、银、铝、铜中的一种或多种。

可选的，所述纳米结构2为纳米线或纳米孔等结构，所述孔道结构5为圆孔或栅格等结构。

可选的，所述悬浮电极4为碳、碳纳米管、石墨烯、金、铂、银中的一种或多种相互组合的复合电极。

如图2所示，为本发明优选实施例中自驱动湿度传感器的水伏效应原理图，首先，湿气流与半导体纳米结构接触，在纳米结构内液化成水；半导体纳米结构表面带有固定电荷(此处以固定负电荷为例)，根据德拜屏蔽效应和固液界面双电层理论，该种纳米孔道结构具有单一电荷选择性(此处选择通过正离子)；液化的水中电离出正负电荷，在环境温度的驱动下，纳米结构内的水进行定向微流动，使得正离子在纳米结构底部聚集，负离子在纳米结构顶部聚集；聚集在纳米结构底部的正离子，通过库伦相互作用在半导体基底底部感应生产电子；聚集在纳米结构顶部的负离子，通过库伦相互作用在半导体顶部感应生产空穴；连接半导体基底上下两端，即可实现电压信号的输出。其中，悬浮电极4与纳米结构2之间设有间隙，避免悬浮电极4与纳米结构2的直接接触，有利于高效收集溶液中的正离子，同时避免收集到的正离子与纳米结构2中的电子复合，此乃实现高效湿气响应的关键。

本发明优选实施例中还公开了一种自驱动湿度传感器的制备方法，其包括以下步骤：

S10、对半导体基底的正面进行图案化处理；

S20、在半导体基底的正面裸露区域制备介电层，在所述介电层上制备保护层，并进行去图案化；

S30、在所述半导体基底的正面未制备介电层区域刻蚀纳米结构；

S40、在所述纳米结构和介电层上制备悬浮电极，所述悬浮电极与纳米结构之间设有间隙，在所述悬浮电极上位于所述纳米结构上方刻蚀孔道结构；

S50、在所述半导体基底的背面制备底电极；

S60、将导线连接至所述底电极和悬浮电极上。

可选的，所述在所述半导体基底的正面未制备介电层区域刻蚀纳米结构，包括：在所述半导体基底的正面未制备介电层区域利用干法离子刻蚀或金属辅助湿法刻蚀法刻蚀纳米结构。

可选的，所述在半导体基底的正面裸露区域制备介电层，包括：利用磁控溅射或原子层沉积法在半导体基底的正面裸露区域制备介电层。

可选的，所述对半导体基底的正面进行图案化处理，包括：通过光刻或掩膜板对半导体基底的正面进行图案化处理。

可选的，在所述半导体基底的背面制备底电极，包括：通过热蒸镀的方法在所述半导体基底的背面制备底电极。

可选的，在对半导体基底的正面进行图案化处理之前，还包括步骤：对半导体基底进行清洗。

如图3所示，本发明优选实施例还公开了一种自驱动湿度传感器的制备方法，其基于单晶硅，其包括以下步骤：

1、采用双面抛光的单晶硅片11，对单晶硅片11进行标准清洗，包括丙酮，乙醇，超纯水依次超声清洗；

2、利用光刻胶3运用光刻的方法实现单晶硅片11的图案化；

3、在单晶硅片11裸露的部分通过磁控溅射的方法制备二氧化硅介电层3，并通过热蒸镀的方法在二氧化硅介电层3上制备保护层8，并去除光刻胶3；

4、在没有介电层3的地方，运用金属离子辅助刻蚀的方法，制备垂直取向的硅纳米线阵列21；参照图4。

5、去除介电层3上的保护层8，在介电层3上表面制备碳纳米管多孔电极51，碳纳米管多孔电极51与硅纳米线阵列21之间设有间隙；

6、在单晶硅片11下表面通过热蒸镀的方法制备铝电极61。

可选的，去除介电层上的保护层步骤如下：

将去除表面有机物的单晶硅片浸入体积比为3：1的硫酸(H₂SO₄)和H₂O₂的氧化剂溶液，室温下浸泡一段时间，待表面因自然氧化而形成的氧化硅(SiO₂)层完全除去后取出。

镀银液的配制如下：

利用分析天平称取0.17g硝酸银(AgNO₃)，放入置有25ml氟化氢(HF)和75ml水的烧杯中，制备成为镀银液。

刻蚀液的配制如下：

利用3ml H₂O₂、21ml HF和76ml水配制成为刻蚀液。

沉积银颗粒如下：

室温下，将处理好的单晶硅片放置于镀银液1分钟以完成银颗粒在硅片表面的化学沉积，在硅片表面形成一层均匀的银纳米颗粒。

湿法刻蚀制备硅纳米线如下：

将镀银的单晶硅片放置于刻蚀液中，室温下浸泡15分钟，再依次升温至25℃条件下刻蚀5分钟，30℃条件下刻蚀10分钟，40℃条件下刻蚀15分钟，50℃条件下刻蚀5分钟。接着，将刻蚀好的硅片放置于含有硝酸(HNO₃)的水溶液中浸泡5分钟以去除表面多余的银颗粒。最后，用超纯水持续清洗制备好的硅纳米线5分钟以去除多余的溶剂杂质，将其放置于加热台上烘干后得到完整的可用于器件制备的垂直结构硅纳米线阵列。

如图5所示，为本发明优选实施例中自驱动传感器的响应速度测试，实验通过手指湿度来测试自驱动硅纳米线湿度传感器的响应速度，当手指靠近传感器是，可以看大一个明显的电压信号。当手指离开器件的时候，电压信号立即消失。通过测试分析数据，我们可以发现，该种器件的湿度响应上升时间大约为100ms，下降时间大约为170ms。实验证明，本发明自驱动垂直硅纳米线湿度传感器的响应速度远远小于一般的商用湿度传感器(响应时间在秒量级)。

本发明的湿度传感器无需额外电源，可实现湿度相关电信号的直接输出。本发明湿度传感器的自驱动特性使得该传感器对湿度的响应速度很快，达到毫秒级别。本发明的湿度传感器结构简单，有利于降低生产成本。与传统半导体工艺相兼容，有利于产品集成。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种自驱动湿度传感器，其特征在于，包括：

半导体基底，所述半导体基底的正面刻蚀有纳米结构，所述半导体基底的正面围绕所述纳米结构制备有介电层，所述介电层上制备有悬浮电极，所述悬浮电极与纳米结构之间设有间隙，所述悬浮电极上位于所述纳米结构上方刻蚀有孔道结构，所述半导体基底的背面制备有底电极，所述底电极和悬浮电极上均连接有导线，所述介电层通过磁控溅射或原子层沉积法制备；

所述自驱动湿度传感器的制备方法包括以下步骤：

对半导体基底的正面进行图案化处理；

利用磁控溅射或原子层沉积法在半导体基底的正面裸露区域制备介电层，在所述介电层上制备保护层，并进行去图案化；

在所述半导体基底的正面未制备介电层区域刻蚀纳米结构；

在所述介电层上制备悬浮电极，所述悬浮电极与纳米结构之间设有间隙，在所述悬浮电极上位于所述纳米结构上方刻蚀孔道结构；

在所述半导体基底的背面制备底电极；

将导线连接至所述底电极和悬浮电极上。

2.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，所述半导体基底为单晶硅、锗、砷化镓中的一种或多种，所述介电层为氧化硅、氧化铝、氧化铪中的一种或多种，所述底电极为金、铂、银、铝、铜中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，所述纳米结构为- 纳米线或纳米孔，所述孔道结构为圆孔或栅格。

4.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，所述悬浮电极为碳、碳纳米管、石墨烯、金、铂、银中的一种或多种相互组合的复合电极。

5.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，所述在所述半导体基底的正面未制备介电层区域刻蚀纳米结构，包括：在所述半导体基底的正面未制备介电层区域利用干法离子刻蚀或金属辅助湿法刻蚀法刻蚀纳米结构。

6.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，所述对半导体基底的正面进行图案化处理，包括：通过光刻或掩膜板对半导体基底的正面进行图案化处理。

7.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，在所述半导体基底的背面制备底电极，包括：通过热蒸镀的方法在所述半导体基底的背面制备底电极。

8.如权利要求1所述的自驱动湿度传感器，其特征在于，在对半导体基底的正面进行图案化处理之前，还包括步骤：

对半导体基底进行清洗。