/Si異質結的電阻式濕度傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器領域，具體涉及一種基于鈀/ 二氧化錫/硅異質結的電阻式濕度傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著科技的飛速發展和普及，高性能設備越來越多，各行各業對濕度的要求也越來越高。傳統的濕度監測模式是以人為基礎，依靠人工輪流值班、人工巡回查看等方式來測量和記錄環境狀況信息。在這種模式下，不僅效率低下不利于人才資源的充分利用，而且缺乏科學性和完整的管理系統。濕度傳感器已經被廣泛應用于工業生產、生產過程控制、環境監控、儲存等方面。但是目前的濕度傳感器存在著使用壽命短、使用環境受限、滯后現象、存在污染等缺點，大大限制了其使用性能和效果。因此開發新型高性能的濕度傳感器材料具有極其重要的科學意義和應用價值[Sensors and ActuatorsB:Chemical, 197，2014，66 - 72.]。
[0003]半導體型傳感器具有使用方便、成本較低、與現代電子工業相匹配等優點，日益成為人們研究的重點。該類傳感器以半導體材料作為濕度敏感材料，主要利用半導體材料與水蒸氣之間的電荷轉移來檢測濕度[Sensor letters, 2005，3 (4): 274-295.]。目前研究比較廣泛的半導體材料有石墨稀[Sensors and ActuatorsB:Chemical, 2013，181，326-331.]、氧化鋅[sensors, 2014，14，20360-20371.]、二氧化錫[Journal of Nano Research, 2008, 4, 91-101.]等。金屬氧化物半導體濕度傳感器由于壽命長、成本低、結構簡單、反應響應時間比較快、一致性和重復性較好等褚多優點已成為濕度傳感器中研究的熱點。為了進一步提高金屬氧化物半導體濕度傳感器的靈敏度、響應速度等性能，對金屬氧化物半導體濕度傳感材料做進一步的改善是非常有必要的。
[0004]近些年來，我們發現了一種利用異質結材料的界面效應增強材料氣體靈敏度的方法，利用磁控濺射方法制備一系列非晶碳膜/硅異質結材料，發現這類異質結材料的界面效應類似于性能優良的“放大器”，在室溫下可使非晶碳膜對極性氣體的靈敏度大大提高(提高 2-5 個數量級以上)[Energy Environ.Sc1., 2010, 3:288 - 291.] 0 與此同時，碳 /硅異質結是一種非常好的濕度探測器，它對不同的濕度具有敏感度高、響應時間快、線性響應、可重復性尚等優點。
[0005]本發明中，我們利用鈀膜的催化效應和二氧化錫/硅異質結的放大效應，開發出了一種具有濕度敏感特性的鈀/ 二氧化錫/硅異質材料，可使二氧化錫對水蒸氣的敏感性大大提高，例如，在室溫條件下，在相對濕度為67 %的空氣中，基于鈀/ 二氧化錫/硅異質結的濕度傳感器靈敏度達142% ;最快的響應時間與恢復時間約為550秒和240秒。
[0006]鈀/ 二氧化錫/硅異質結利用鈀膜的催化效應和二氧化錫/硅異質結的放大效應，降低了工作溫度，提高了器件的響應度，器件性能得到顯著提高。因此，鈀/ 二氧化錫/硅異質結在濕度傳感器制作方面顯示出了獨特的應用前景。
【發明內容】
[0007]本發明目的是提供一種基于鈀/ 二氧化錫/硅異質結濕度傳感器及該傳感器的制備方法。
[0008]本發明采用有二氧化硅覆蓋的硅作為襯底，以鈀/ 二氧化錫作為基體材料制備濕度傳感器，利用了鈀的催化效應以及二氧化錫與硅的異質結的放大效應綜合優勢。同時本發明采用的工藝簡單、室溫條件探測并且與半導體平面工藝兼容、易于集成、適于大批量生產，因而具有重要的應用價值。
[0009]本發明的濕度傳感器從下到上依次包括二氧化硅覆蓋的硅襯底、采用直流磁控濺射法在襯底上生長的納米二氧化錫薄膜、在二氧化錫薄膜層上利用掩膜和直流磁控濺射方法制備比二氧化錫膜面積小的鈀催化層；鈀薄膜上的銦點電極和銦金屬層上的銦點電極分別作為正、負電極，引出電源線，串聯接通直流電源和電流表，直流電源的電壓為+0.3伏；其中覆蓋二氧化硅的硅襯底厚度為0.5?2毫米，納米二氧化錫薄膜的厚度為50-100納米，優選70納米，鈀催化層的厚度為10?30納米，優選20納米。
[0010]本發明所述的基于鈀/ 二氧化錫/硅異質結濕度傳感器的制備方法，其步驟如下:
[0011](一)襯底的處理
[0012]首先用去離子水在超聲波中清洗硅片30分鐘，然后用丙酮在超聲波中清洗硅片30分鐘，最后再用無水乙醇清洗硅片30分鐘。
[0013](二)二氧化錫薄膜的制備
[0014]將清洗好的η型硅襯底吹干后放入濺射室，η型硅基底的電阻率為1_3歐米厘米，利用抽真空系統使濺射室處于真空狀態，直到背景真空達到目標真空度2.0X 10 4帕左右時再繼續操作；在維持5帕壓強的前提下，以2:1至1:2的比例向濺射室中通入氬氣/氧氣混合氣體，待氣壓穩定后，利用錫靶開始濺射，其中所用錫靶純度為99.9% (質量分數)，所選濺射功率和濺射時間分別在80-100瓦之間和7-9分鐘之間；在硅襯底表面得到二氧化錫薄膜后的30分鐘內，需要繼續保持通氣狀態，之后停止氬氣和氧氣的通入，繼續利用抽真空系統使濺射室處于真空狀態。
[0015](三)鈀催化層的制備
[0016]在步驟(二)的基礎上，當背景真空達到目標真空度2.0X 10 4帕左右后，在維持2帕壓強的前提下，向濺射室中通入氬氣，待氣壓穩定后，開始鈀靶濺射，其中所用鈀靶純度為99.9 % (質量分數)，濺射直流電壓、濺射直流電流和濺射時間分別為0.26千伏、0.20安培和2分鐘；待以上工作完成以后，不再向其中通入氬氣，再次利用抽真空系統使背景真空達到1.5X10 4帕，2小時后，取出樣品。
[0017]這樣由上述過程即可獲得鈀/ 二氧化錫/硅異質結材料，該材料具有濕度敏感效應。在室溫條件下，在相對濕度為67 %的空氣中，基于鈀/ 二氧化錫/硅異質結的濕度傳感器靈敏度達142% ;最快的響應時間與恢復時間約為550秒和240秒。
[0018]本發明所提供的鈀/ 二氧化錫/硅異質結材料，可以用其開發濕度敏感器件，該器件無需加熱器，能在室溫下工作，耗能低，工藝簡單，靈敏度高，響應、恢復時間短。
【附圖說明】
[0019]圖1本發明器件的結構示意圖。
[0020]圖2實施例1制備的η型硅片為基底的鈀/ 二氧化錫/硅異質結在室溫條件下干燥空氣中和相對濕度為67%的空氣中的伏安特性曲線。
[0021]圖3實施例2制備的η型硅片為基底的鈀/ 二氧化錫/硅異質結在室溫條件下不同濕度