CN104458835A - 一种湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种湿度传感器及其制备方法，包括：表面绝缘的衬底，位于绝缘表面的湿敏材料和叉指电极薄膜层，湿敏材料分布于叉指电极之间，且与叉指电极相键联；湿敏材料为叉指电极材料的氧化态。还提供了湿度传感器的制备方法，包括：提供一表面绝缘的衬底；在绝缘表面形成一层氧化态湿敏材料；在湿敏材料表面形成叉指电极图案掩膜；在叉指电极图案掩膜的保护下，对湿敏材料进行还原工艺，在湿敏材料间形成叉指电极；叉指电极图案掩膜遮挡住的湿敏材料部分未被还原，叉指电极图案掩膜暴露的湿敏材料部分被还原成叉指电极材料；去除叉指电极图案掩膜。从而有利于制备出较薄氧化石墨烯湿度传感器，提高湿度传感器灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度，通常是指空气中水蒸气的含量，它用来反映大气的干湿程度。人们的日常生活和工农业生产，以及动植物的生长和生存，都与周围的环境湿度有着密切的关系。湿度测量需要采用湿度传感器，其是基于功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上制造的，具有将湿度物理量转换成电讯号的功能。
湿度传感器根据其工作原理的不同可以分成伸缩式、蒸发式、露点计、电子式、电磁式等，其中以电子式的研究和应用为主。近年来研究较多的是电容型的电子式湿度传感器，这类湿度传感器主要工作原理是：湿敏介质吸收空气中的水汽分子使得介电常数发生变化，从而电容值发生改变，经过处理电路转化为与湿度相关的电信号被读出。目前，作为传统湿敏介质的材料主要有多孔介质和高分子聚合物，但对于高端应用其精度和响应速度都还有待提高。近年来，随着材料科学的快速发展，纳米线材料、碳纳米管材料、石墨烯基材料的湿敏特性逐渐被发现和进一步研究。对于石墨烯基材料家族中的氧化石墨材料，其湿敏特性要远优于传统的湿敏材料。并且，研究表明，氧化石墨烯材料厚度对湿度传感器的性能有很大的影响，一般氧化石墨烯越薄，传感器的响应速度等特性越好。现有技术中的基于氧化石墨烯材料的湿度传感器的结构示意图如图1所示，现有的基于氧化石墨烯材料的湿度传感器的结构包括：衬底101，衬底101表面的绝缘层102，绝缘层102表面的呈相间排布的电极结构103和覆盖于电极结构103之间及其表面的氧化石墨烯104；其制备方法包括：在衬底101的绝缘层102上形成电极结构103，然后淀积所需氧化石墨烯104，氧化石墨烯104填充于电极结构103之间及覆盖于电极上方。由于工艺所限，使用这种结构和制造方法的氧化石墨烯厚度很难做得很薄，如纳米量级，最终使湿度传感器性能大打折扣。
发明内容
为了克服以上问题，本发明的目的在于提供一种湿度传感器及其制造方法，以解决现有技术中难以制备较薄的氧化石墨烯湿度传感器的问题，提高湿度传感器的性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种湿度传感器，包括：
衬底，所述衬底的表面绝缘；
湿敏材料和叉指电极薄膜层，其位于所述绝缘表面，所述湿敏材料分布于所述叉指电极之间，且与所述叉指电极相键联；其中所述湿敏材料为所述叉指电极材料的氧化态。
优选地，所述湿敏材料为氧化石墨烯，所述叉指电极为石墨烯或还原的氧化石墨烯。
优选地，所述湿敏材料和叉指电极薄膜层的厚度为1-100nm。
优选地，所述衬底为绝缘衬底或为表面具有绝缘层的半导体衬底。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种湿度传感器的制备方法，其包括以下步骤：
步骤01：提供一表面绝缘的衬底；
步骤02：在所述绝缘表面形成一层氧化态湿敏材料；
步骤03：在所述湿敏材料表面形成叉指电极图案掩膜；
步骤04：在叉指电极图案掩膜的保护下，对所述湿敏材料进行还原工艺，在所述湿敏材料间形成叉指电极；其中，所述叉指电极图案掩膜遮挡住的所述湿敏材料部分未被还原，所述叉指电极图案掩膜暴露的所述湿敏材料部分被还原成叉指电极材料；
步骤05：去除所述叉指电极图案掩膜。
优选地，所述衬底为绝缘衬底或为表面具有绝缘层的半导体衬底。
优选地，所述氧化态湿敏材料为氧化石墨烯。
优选地，所述步骤02中，所述氧化石墨烯被旋涂在所述绝缘表面，然后进行干燥处理。
优选地，所述步骤04中，部分所述氧化石墨烯转变为石墨烯或还原的氧化石墨烯，从而形成所述叉指电极。
优选地，采用直接还原剂还原法、微波辅助还原法、或紫外辐照还原法将部分所述氧化石墨烯转变为石墨烯或还原的氧化石墨烯。
本发明的湿度传感器及其制造方法，通过先在衬底上形成氧化石墨烯薄膜作为湿度传感器的湿敏材料，然后将部分氧化石墨烯还原成石墨烯或者还原的氧化石墨烯，从而形成湿度传感器的叉指电极，所形成的湿度传感器中湿敏材料和叉指电极的厚度一致，结合紧密，提高了湿度传感器灵敏度；并且由于氧化石墨烯薄膜可以做的很薄，从而有利于制备出较薄氧化石墨烯湿度传感器，并进一步提高湿度传感器灵敏度。
附图说明
图1为现有技术中湿度传感器结构剖面示意图
图2是本发明的一较佳实施例的湿度传感器的湿敏材料和叉指电极薄膜层的俯视结构示意图
图3是本发明的一较佳实施例的湿度传感器的制备方法的流程示意图
图4a-4e是本发明的一较佳实施例的湿度传感器的制备方法的具体步骤所形成的剖面示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
本发明的湿度传感器，包括：表面绝缘的衬底，位于绝缘表面的湿敏材料和叉指电极薄膜层，湿敏材料分布于叉指电极之间，且与叉指电极相键联；湿敏材料为叉指电极材料的氧化态。这样，叉指电极材料导电，而氧化态的湿敏材料不导电。这里，表面绝缘的衬底可以是表面具有绝缘层的半导体衬底或整个衬底绝缘。
以下结合附图2-4e和具体实施例对本发明的湿度传感器及其制造方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
本实施例的湿度传感器包括：表面具有绝缘层的半导体衬底，位于绝缘层表面的氧化石墨烯湿敏材料和石墨烯或还原石墨烯叉指电极薄膜层，请参阅图2，为本发明的一较佳实施例的湿度传感器的湿敏材料和叉指电极薄膜层的俯视结构示意图，氧化石墨烯1分布于还原石墨烯或石墨烯叉指电极2之间，通过碳碳键相键联。这里，氧化石墨烯和石墨烯或还原石墨烯的厚度为1-100nm。衬底可以为绝缘衬底或为表面具有绝缘层的半导体衬底。
请参阅图3，制备本实施例中的湿度传感器的方法，包括以下步骤：
步骤01：请参阅图4a，提供一表面绝缘的衬底；
具体的，本实施例中，采用表面具有绝缘层402的衬底401，可以在衬底401表面沉积一层绝缘层402，例如，采用化学气相沉积法沉积一微米厚的二氧化硅层。
步骤02：请参阅图4b，在绝缘表面形成一层氧化态湿敏材料；
具体的，将氧化石墨烯分散液旋涂在绝缘层402表面，然后烘干处理，得到一层氧化石墨烯403薄膜；烘干处理的具体工艺参数可以根据实际工艺要求来设定，例如，烘干处理的温度可以为60℃，时间为30分钟，得到的氧化石墨烯403薄膜的厚度为10nm。
步骤03：请参阅图4c，在湿敏材料表面形成叉指电极图案掩膜；
具体的，叉指电极图案掩膜404可以为有机掩膜，也可以为无机硬掩膜；本实施例中，采用光刻胶作为掩膜。通过在氧化石墨烯403表面旋涂光刻胶、曝光、显影和坚膜，得到具有叉指电极图案的掩膜404，掩膜404的厚度可以根据实际工艺情况来设定，这里可以为600nm。
步骤04：请参阅图4d，在叉指电极图案掩膜的保护下，对湿敏材料进行还原工艺，在湿敏材料间形成叉指电极；
具体的，叉指电极图案掩膜遮挡住的湿敏材料部分未被还原，叉指电极图案掩膜暴露的湿敏材料部分被还原成叉指电极材料；本实施例中，暴露部分的氧化石墨烯404转变为石墨烯或还原的氧化石墨烯，从而形成叉指电极405；可以采用直接还原剂还原法、微波辅助还原法、紫外辐照还原法等。最终，石墨烯或还原的氧化石墨烯构成叉指电极405，未被还原的氧化石墨烯构成湿敏材料403’。并且，由于二者属于同一氧化石墨烯404薄膜，因此，二者的厚度相同。
步骤05：请参阅图4e，去除叉指电极图案掩膜。
具体的，依次采用丙酮、异丙醇、去离子水分别浸泡和冲洗，将掩膜404完全去除，完成湿度传感器的制备。
综上所述，本发明的湿度传感器及其制造方法，通过先在衬底上形成氧化石墨烯薄膜作为湿度传感器的湿敏材料，然后将部分氧化石墨烯还原成石墨烯或者还原的氧化石墨烯，从而形成湿度传感器的叉指电极，所形成的湿度传感器中湿敏材料和叉指电极的厚度一致，结合紧密，提高了湿度传感器灵敏度；并且由于氧化石墨烯薄膜可以做的很薄，从而有利于制备出较薄氧化石墨烯湿度传感器，并进一步提高湿度传感器灵敏度。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种湿度传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的表面绝缘；
湿敏材料和叉指电极薄膜层，其位于所述绝缘表面，所述湿敏材料分布于所述叉指电极之间，且与所述叉指电极相键联；其中所述湿敏材料为所述叉指电极材料的氧化态。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料为氧化石墨烯，所述叉指电极为石墨烯或还原的氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料和叉指电极薄膜层的厚度为1-100nm。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述衬底为绝缘衬底或为表面具有绝缘层的半导体衬底。
5.一种湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤01：提供一表面绝缘的衬底；
步骤02：在所述绝缘表面形成一层氧化态湿敏材料；
步骤03：在所述湿敏材料表面形成叉指电极图案掩膜；
步骤04：在叉指电极图案掩膜的保护下，对所述湿敏材料进行还原工艺，在所述湿敏材料间形成叉指电极；其中，所述叉指电极图案掩膜遮挡住的所述湿敏材料部分未被还原，所述叉指电极图案掩膜暴露的所述湿敏材料部分被还原成叉指电极材料；
步骤05：去除所述叉指电极图案掩膜。
6.根据权利要求5所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底为绝缘衬底或为表面具有绝缘层的半导体衬底。
7.根据权利要求5所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述氧化态湿敏材料为氧化石墨烯。
8.根据权利要求7所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤02中，所述氧化石墨烯被旋涂在所述绝缘表面，然后进行干燥处理。
9.根据权利要求7所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，部分所述氧化石墨烯转变为石墨烯或还原的氧化石墨烯，从而形成所述叉指电极。
10.根据权利要求9所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，采用直接还原剂还原法、微波辅助还原法、或紫外辐照还原法将部分所述氧化石墨烯转变为石墨烯或还原的氧化石墨烯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |