CN202049130U - 基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器 - Google Patents

Abstract

实用新型公开了一种基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括衬底（1）、自衬底（1）向上依次设置在衬底（1）上的氧化层（2）、加热条（3）、绝缘层（4），该湿度传感器还包括第一电容电极（5）、第二电容电极（6）、钝化层（7）和湿度敏感介质（8），第一电容电极（5）、第二电容电极（6）分别设在绝缘层（4）上，在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）上分别设有钝化层（7），湿度敏感介质（8）设在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）之间，湿度敏感介质（8）还设在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）上方。本实用新型可以提高传感器的可靠性，工艺步骤简单，采用氧化石墨烯作为湿度敏感介质，该传感器具有灵敏度高，响应速度快，湿滞回差小等优点。

Description

基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于标准CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺和MEMS(微电子机械系统)后处理技术的相对湿度传感器，尤其是一种采用氧化石墨烯作为湿度敏感介质的电容式相对湿度传感器。

背景技术

湿度传感器在军事、气象、农业、工业控制、医疗器械等许多领域有着广泛的应用。在过去的几十年里，有许多针对电容式、电阻式、压阻式、光学式等类型湿度传感器的研究。在商用领域中，电容式湿度传感器应用最为广泛，这是因为电容式湿度传感器灵敏度高、功耗小、制造成本低。用标准CMOS工艺加工出来的湿度传感器具有体积小、价格低、产品一致性好等优点，是近几年来湿度传感器研究的热点。而且，利用标准CMOS工艺容易将湿度传感器和检测电路单片集成，这样可以提高湿度检测系统的稳定性和抗干扰能力。2004年，中国人顾磊提出了一种利用CMOS工艺制作的电容式相对湿度传感器，该湿度传感器的敏感单元为平铺梳齿电容结构，将梳状多晶硅加热电阻置于梳齿状电极的下方，相邻电极之间填充湿度敏感介质，采用聚酰亚胺作为湿度敏感介质，这种电容式湿度传感器的电容主要由梳齿状电极侧壁面积决定，由于利用CMOS工艺加工传感器时，梳齿状电极的厚度很难做到很大，所以要达到较高的灵敏度，需要增加梳齿状电极数量，这样势必会增加芯片面积，如此很难体现出微传感器体积小的优势，而且采用聚酰亚胺作为敏感材料，传感器响应较慢。

发明内容

技术问题：本实用新型要解决的技术问题是提出一种与标准CMOS工艺兼容的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，具有灵敏度高，响应速度快，湿滞回差小，结构简单，长期稳定性好等优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提出一种基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括衬底、自衬底向上依次设置在衬底上的氧化层、加热条、绝缘层，该湿度传感器还包括第一电容电极、第二电容电极、钝化层和湿度敏感介质，第一电容电极、第二电容电极分别设在绝缘层上，在第一电容电极和第二电容电极上分别设有钝化层，湿度敏感介质设在第一电容电极和第二电容电极之间，湿度敏感介质还设在第一电容电极和第二电容电极上方，钝化层位于第一电容电极与湿度敏感介质之间以及第二电容电极与湿度敏感介质之间。

优选的，加热条为条状且等间距排列，加热条由第一加热条引线和第二加热条引线引出。

优选的，第一电容电极、第二电容电极为梳齿状且交错排列，即相邻的第一电容电极之间设有第二电容电极，相邻的第二电容电极之间设有第一电容电极，其中，第一电容电极由第一电极引线引出，第二电容电极由第二电极引线引出。

优选的，第一电容电极、第二电容电极分别为铝电极。

优选的，钝化层为氮化硅层。

优选的，湿度敏感介质为氧化石墨烯。

优选的，加热条为多晶硅加热条。

优选的，绝缘层为二氧化硅绝缘层。

有益效果：本实用新型工艺步骤简单，利用标准CMOS工艺与MEMS加工技术相结合进行制造，成本低，精度高，长期稳定性好。本实用新型提出的湿度传感器采用氧化石墨烯作为湿度敏感介质，氧化石墨烯结构中含有亲水基团，而且氧化石墨烯表面形貌比较褶皱，相比平坦的形貌，这种褶皱形貌的单位面积上含有更多的亲水基团，有利于水汽分子的吸附与脱附，所以基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器灵敏度高，响应速度快。采用多晶硅电阻条进行加热可以减小湿滞回差。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器的截面图，图中有：衬底1，氧化层2，加热条3，绝缘层4，第一电容电极5，第二电容电极6，钝化层7，湿度敏感介质8；图2是本实用新型提供的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器的俯视图，图中有：氧化层2，第一加热条引线31，第二加热条引线32，第一电极引线51，第二电极引线61，钝化层7，湿度敏感介质8；图3是本实用新型提供的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器的电容电极结构俯视图，图中有：氧化层2，第一电容电极5，第二电容电极6，第一电极引线51，第二电极引线61，湿度敏感介质8；图4是本实用新型提供的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器的绝缘层结构俯视图，图中有：氧化层2，绝缘层4，湿度敏感介质8；图5是本实用新型提供的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器的加热条结构俯视图，图中有：氧化层2，加热条3，第一加热条引线31，第二加热条引线32，湿度敏感介质8；图6是本实用新型提供的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器的湿度敏感介质表面形貌SEM（扫描电子显微镜）图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

本实用新型是一种基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，由衬底，氧化层，加热条，绝缘层，电容电极，钝化层，湿度敏感介质组成，氧化层设在衬底上，加热条设在氧化层上，电容电极设在加热条上方，电容电极与加热条之间设有绝缘层，电容电极由电极引线引出，加热条由加热条引线引出，电容电极为梳齿状电极且交错排列，加热条为梳状并联结构，在电容电极上设有钝化层，湿度敏感介质设在电容电极之间和电容电极上方，钝化层位于电容电极与湿度敏感介质之间，钝化层可以有效防止湿度敏感介质中的水汽腐蚀电容电极，提高传感器的可靠性。

参见图1－6，本实用新型是一种基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，由衬底1，氧化层2，加热条3，绝缘层4，第一电容电极5，第二电容电极6，钝化层7，湿度敏感介质8组成，氧化层2设在衬底1上，加热条3设在氧化层2上，第一电容电极5和第二电容电极6设在加热条3上方，第一电容电极5、第二电容电极6与加热条3之间设有绝缘层4，第一电容电极5和第二电容电极6由第一电极引线51和第二电极引线61分别引出，加热条3由第一加热条引线31和第二加热条引线32引出，第一电容电极5和第二电容电极6为梳齿状电极且交错排列，加热条3为梳状并联结构，在第一电容电极5和第二电容电极6上设有钝化层7，湿度敏感介8质设在第一电容电极5和第二电容电极6之间以及第一电容电极5和第二电容电极6上方，钝化层7位于第一电容电极5和第二电容电极6与湿度敏感介质8之间，钝化层7可以有效防止湿度敏感介质8中的水汽腐蚀电容电极第一电容电极5和第二电容电极6，提高传感器的可靠性。

参见图1－6，基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，该湿度传感器包括衬底1、自衬底1向上依次设置在衬底1上的氧化层2、加热条3、绝缘层4，该湿度传感器还包括第一电容电极5、第二电容电极6、钝化层7和湿度敏感介质8，第一电容电极5、第二电容电极6分别设在绝缘层4上，在第一电容电极5和第二电容电极6上分别设有钝化层7，湿度敏感介质8设在第一电容电极5和第二电容电极6之间，湿度敏感介质8还设在第一电容电极5和第二电容电极6上方，钝化层7位于第一电容电极5与湿度敏感介质8之间以及第二电容电极6与湿度敏感介质8之间。

加热条3为条状且等间距排列，加热条3由第一加热条引线31和第二加热条引线32引出。

第一电容电极5、第二电容电极6为梳齿状且交错排列，即相邻的第一电容电极5之间设有第二电容电极6，相邻的第二电容电极6之间设有第一电容电极5，其中，第一电容电极5由第一电极引线51引出，第二电容电极6由第二电极引线61引出。

第一电容电极5、第二电容电极6分别为铝电极。

钝化层7为氮化硅层。

湿度敏感介质8为氧化石墨烯。

加热条3为多晶硅加热条。

绝缘层4为二氧化硅绝缘层。

本实施例中衬底1为体硅，氧化层2为二氧化硅，加热条3为多晶硅，绝缘层4为二氧化硅，第一电容电极5和第二电容电极6为铝电极，钝化层7为氮化硅，湿度敏感介质8为氧化石墨烯，本实用新型可以用以下工艺来制作：在硅衬底1上生长一层氧化层2，接着在氧化层2上淀积一层多晶硅并光刻形成多晶硅加热条3以及第一加热条引线31和第二加热条引线32，在多晶硅上淀积一层二氧化硅并光刻形成二氧化硅绝缘层4，然后溅射铝并刻蚀形成第一电容电极5和第二电容电极6以及第一电极引线51和第二电极引线61，利用PECVD的方法在铝电极上淀积一层氮化硅并光刻形成钝化层7，然后用滴管滴一滴（约0.03毫升）氧化石墨烯溶液（浓度约为1.8毫克/毫升）在芯片敏感区域表面，然后在50℃的烘箱中加热2小时将氧化石墨烯进行干燥处理。

第一电容电极5和第二电容电极6构成的电容以氧化石墨烯作为湿度敏感介质，当环境湿度发生改变时，氧化石墨烯感湿层的介电常数会发生变化，从而使得湿度敏感电容值发生变化，再利用电容检测电路对湿度敏感电容的变化进行检测便可以得到环境湿度的信息。由于氧化石墨烯结构中含有亲水基团，而且氧化石墨烯表面形貌比较褶皱，相比平坦的形貌，这种褶皱形貌的单位面积上含有更多的亲水基团，有利于水汽分子的吸附与脱附，所以基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器灵敏度高，响应时间快。另外，采用多晶硅电阻条进行加热可以减小湿滞回差。

Claims (8)

1.一种基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：该湿度传感器包括衬底（1）、自衬底（1）向上依次设置在衬底（1）上的氧化层（2）、加热条（3）、绝缘层（4），该湿度传感器还包括第一电容电极（5）、第二电容电极（6）、钝化层（7）和湿度敏感介质（8），第一电容电极（5）、第二电容电极（6）分别设在绝缘层（4）上，在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）上分别设有钝化层（7），湿度敏感介质（8）设在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）之间，湿度敏感介质（8）还设在第一电容电极（5）和第二电容电极（6）上方，钝化层（7）位于第一电容电极（5）与湿度敏感介质（8）之间以及第二电容电极（6）与湿度敏感介质（8）之间。

2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：加热条（3）为条状且等间距排列，加热条（3）由第一加热条引线（31）和第二加热条引线（32）引出。

3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：第一电容电极（5）、第二电容电极（6）为梳齿状且交错排列，即相邻的两第一电容电极（5）之间设有第二电容电极（6），相邻的两第二电容电极（6）之间设有第一电容电极（5），其中，第一电容电极（5）由第一电极引线（51）引出，第二电容电极（6）由第二电极引线（61）引出。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：第一电容电极（5）、第二电容电极（6）分别为铝电极。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：钝化层（7）为氮化硅层。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：湿度敏感介质（8）为氧化石墨烯。

7.根据权利要求1或2或3所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：加热条（3）为多晶硅加热条。

8.根据权利要求1或2或3所述的基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器，其特征在于：绝缘层（4）为二氧化硅绝缘层。

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