多孔硅湿敏传感器制造技术

本实用新型专利技术多孔硅湿敏传感器，以直接形成于硅基片上的多孔硅层为感湿层，衬底同时作为支撑和介电层，多孔硅湿敏层及其硅基片介于至少一对电极之间。本湿敏传感器单片可在整个相对湿度范围内测量，精度高，起动快，灵敏度高，线性度好，性能稳定，重复性好，抗腐蚀，寿命长，制作工艺简单，所用材料少，易于控制工艺过程。特别是可与后续电路集成在同一硅片上。（*该技术在2002年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于传感器领域。中国1990年版、李英干等编的《湿度测量》201－－255页描述了现有湿敏传感器的结构原理。电阻式的有氯化锂膜湿敏传感器，缺点是低湿下响应速度慢，需10分钟以上；起动时间长，需半小时以上；单片测量范围窄，每片只能测20％相对湿度范围；高湿下易“冲蚀”。另一种有机物碳混合膜湿敏传感器，其缺点是器件性能不稳定。以上两种器件共同缺陷是难以测量80％以上的高湿度；有效感湿面积至少100平方毫米，体积大；敏感膜易老化且与基底粘贴不牢，导致器件寿命短，仅为半年左右；电阻与湿度呈非线性关系，定标困难且后续电路复杂；上述两种器件的存放要求特殊的干燥环境；特别是决定器件性能的因素多，使器件制做工艺条件复杂，难以控制。以电容为敏感物理量的湿敏传感器主要有氧化铝湿敏传感器，其主要缺点是制做工艺不成熟，易老化，由于氧化铝感湿层直接生成于导体铝基表面，铝基本身做为电极之一，氧化铝层薄而且与铝基底联结不牢固，容易造成电极间短路或击穿，使成品率和寿命都降低。另一种陶瓷湿敏传感器，利用多孔陶瓷作为湿敏层，其主要缺点是精度低，仅±5％；寿命短，仅半年左右。以上两种器件的线性度都很差。中国《电子世界》1992年第一期18－－19页介绍了另一种电容式湿敏传感器，湿敏层为吸湿高聚物，其缺点是高湿和低湿条件下难以测量；由于感湿层难以做厚，电极间距小，易短路或击穿。现有的湿敏传感器均不能与后续电路直接集成。本技术的目的是提供一种长寿命、可集成、且在整个相对湿度范围可精确测量相对湿度的湿敏传感器。附附图说明图1为本技术多孔硅湿敏传感器的示意图。附图2为带有加热电极的多孔硅湿敏传感器示意图。这种多孔硅湿敏传感器由感湿层、衬底层和电极组成，其特征在于所述感湿层2为多孔硅湿敏层，所述衬底层3为硅基片，多孔硅湿敏层2直接形成于硅基片3上，与硅基片3成为一个整体，硅基片3同时作为支撑和介电层，所述多孔硅湿敏层2及其硅基片3介于至少一对电极1和4之间，附着在多孔硅湿敏层2上的电极1做成可透水汽的结构，电极4附着在硅基片3背面上。本技术多孔硅湿敏传感器，其感湿层直接形成于硅衬底上。与多孔铝湿敏传感器相比，本技术的感湿层与基底结合牢固；硅衬底层处于电极之间作为介电材料，且使电极间距增大，从而避免了电极间短路或击穿，使寿命和成品率都大大提高。本技术与现有其他湿敏传感器相比，由于硅衬底可同时作为支撑，无需另加支撑衬底；单片可测量从0％－－100％的整个相对湿度范围；精度好，优于3％；灵敏度高；起动快，短于五分钟；线性度好；性能稳定，重复性好；制做工艺简单；抗腐蚀；体积小，有效感湿面积可小至1平方毫米；寿命长；不需特殊的干燥环境，空气中存放半年其性能无明显变化，保管和使用方便；所用材料少，易于控制工艺过程；特别是可与后续电路集成在同一块很小的硅片上。本技术多孔硅湿敏传感器的一般制做方法是采用P型或N型单晶硅外延基片双面抛光，选择其外延层电导率在0.1欧姆厘米－－1000欧姆厘米之间的外延基片。在氢氟酸中超声清洗十分钟以上，用去离子水清洗，干燥后，在背面溅射一层金属膜，使之与电源正极连接，并将金属膜用蜡封住，该单晶硅外延基片做为阳极；另取一铂板与电源负极相连做为阴极。取重量百分比浓度5％－48％的氢氟酸，将如上的阴、阳极插入酸中，温度控制在50℃以下，电流密度控制在几到几百毫安／平方厘米之间，通直流电处理半分钟到数小时。取出后在热水中除去蜡封，然后用稀盐酸除去背面金属膜电极。用去离子水清洗干净，烘干后，用耐腐蚀金属(例如金、铂、银、镍等)通过溅射，真空蒸镀或涂覆的方法在硅基片背面上和多孔硅湿敏膜上各形成一层金属膜电极，其中多孔硅层上的电极必须做成可透水汽的结构，例如多孔结构、网筛结构或梳状结构。以下介绍一种具体的实施例。1.多孔硅感湿材料的制备选用外延层电导率为1欧姆厘米、直径约3毫米的P型单晶硅外延基片，双面抛光，在氢氟酸中超声清洗半小时，取出用去离子水清洗，干燥后在背面溅射一层铝膜与电源正极相接，做为阳极，并将铝膜用蜡封好；另取一铂板与电源负极相接做为阴极。将如上的阴、阳极插入重量百分比浓度为20％的氢氟酸中，温度控制在20℃，电流密度控制在30毫安／平方厘米，通直流电处理30分钟，将处理后的硅基片取出，用热水除去背面的蜡封，然后用稀盐酸除去铝电极，用去离子水清洗干净，即为在硅基片上带有多孔硅感湿层的元件片子。2.器件的制做将上述带有多孔硅感湿层的元件片子干燥后，在多孔硅湿敏层2的表面溅射一层网状导电金膜作为正电极1，在片子的硅基片3背面溅射一层金膜做为负电极4，即为成品多孔硅湿敏传感器。其结构示意图由附图1给出。在按上述步骤制做的器件上，还可以在硅基片的背面用与上述相同的方法加上另一对电极5、6。在测试时可以用电极5和电极6配合作为加热控温电极，以达到控制测试时的工作温度或在测试开始前升温以清洗湿敏传感器表面吸附的有害物质的目的。3.多孔硅湿敏传感器的使用和效果①校准和标定用化学纯的氯化镁(MgCl2)、 碳酸钾(K2CO3)、 硫酸铵((NH4)2SO4)、氯化钾(KCl)、硝酸钾(KNO3)做为溶质，用去离子水做为溶剂，分别制取它们的饱和溶液。将上述饱和溶液以及去离子水和干燥空气分别密封在不同的玻璃容器中，在溶液上面的空间中形成不同湿度值的标准湿度空间。将按上述方法制做的多孔硅湿度传感器分别密封于各个标准湿度空间内，分别将电极1、4、5、6引出湿度空间外。电极1、4分别接电容表两极，5、6分别接可调控温加热电源两极。测试温度控制在20℃，测量置于不同的湿度空间内的多孔硅湿敏传感器的电容值，并从前述《湿度测量》一书中查得上述各饱和溶液对应的标准相对湿度值列于表1。 按上表数据作出电容一相对湿度曲线，实验值在图中用△表示。 由实验发现，这一关系非常接近线性，因此可用线性拟合方法得到校正直线，用此直线来标定多孔硅湿度传感器，其电容显示值C(nF)与相对湿度RH％关系的经验公式如下相对湿度百分比RH％＝ (C－6.3)/11.2 ×100％由实验测得的电容C(nF)值代入此公式计算得出的测量相对湿度值和计算出的误差值列于表1中。②测试分别选用硝酸镁(Mg(NO3)2)、氯化锂(LiCl)、硫酸钾(K2SO4)的饱和水溶液，在封闭空间形成的湿度环境做为待测湿度空间，将校正好的多孔硅湿度传感器封入待测空间，引出电极1、4、5、6并将电极1、4与电容表相连，电极5、6与可调控温加热电源相连。控制测量时环境温度在恒温20℃，测量其电容。用校正公式计算出对应的测量湿度值，并查出其标准相对湿度值，计算其误差，列于表2中。在测量前为清除湿敏传感器表面吸附的其他有害物质对测量的影响，可先在电极5、6加两伏电压持续10分钟，以达到清洗的目的。待整个系统回到室温，并控制环境温度在20℃时再开始测量。③结论上述测试过程显示，采用本技术多孔硅湿敏传感器，在湿度空间平衡后，测量起动时间短于5分钟。此实施例中，测量误差小于±0.8％；线性度误差小于±3％；测量范围可以是从0％～100％的整个相对湿度范围；相对湿度从10％变化到90％时电容可改变200％以上，灵敏度高。本技术多孔硅湿敏传感器在测试之前业已存放半年，与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湿敏传感器，由感湿层、衬底层和电极组成，其特征在于所述感湿层为多孔硅层，所述的衬底层为硅基片，多孔硅层直接形成于硅基片上成为一个整体，硅基片同时作为支撑和电介层，所述多孔硅层及其硅基片介于至少一对电极之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩正甫，石军岩，洪义麟，陶晓明，付绍军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：实用新型
国别省市：34[中国|安徽]