專利名稱：多孔硅濕敏傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于傳感器領域。
中國1990年版、李英干等編的《濕度測量》201－－255頁描述了現有濕敏傳感器的結構原理。電阻式的有氯化鋰膜濕敏傳感器，缺點是低濕下響應速度慢，需10分鐘以上；起動時間長，需半小時以上；單片測量范圍窄，每片只能測20％相對濕度范圍；高濕下易“沖蝕”。另一種有機物碳混合膜濕敏傳感器，其缺點是器件性能不穩定。以上兩種器件共同缺陷是難以測量80％以上的高濕度；有效感濕面積至少100平方毫米，體積大；敏感膜易老化且與基底粘貼不牢，導致器件壽命短，僅為半年左右；電阻與濕度呈非線性關系，定標困難且后續電路復雜；上述兩種器件的存放要求特殊的干燥環境；特別是決定器件性能的因素多，使器件制做工藝條件復雜，難以控制。以電容為敏感物理量的濕敏傳感器主要有氧化鋁濕敏傳感器，其主要缺點是制做工藝不成熟，易老化，由于氧化鋁感濕層直接生成于導體鋁基表面，鋁基本身做為電極之一，氧化鋁層薄而且與鋁基底聯結不牢固，容易造成電極間短路或擊穿，使成品率和壽命都降低。另一種陶瓷濕敏傳感器，利用多孔陶瓷作為濕敏層，其主要缺點是精度低，僅±5％；壽命短，僅半年左右。以上兩種器件的線性度都很差。中國《電子世界》1992年第一期18－－19頁介紹了另一種電容式濕敏傳感器，濕敏層為吸濕高聚物，其缺點是高濕和低濕條件下難以測量；由于感濕層難以做厚，電極間距小，易短路或擊穿。現有的濕敏傳感器均不能與后續電路直接集成。
本實用新型的目的是提供一種長壽命、可集成、且在整個相對濕度范圍可精確測量相對濕度的濕敏傳感器。
附

圖1為本實用新型多孔硅濕敏傳感器的示意圖。
附圖2為帶有加熱電極的多孔硅濕敏傳感器示意圖。
這種多孔硅濕敏傳感器由感濕層、襯底層和電極組成，其特征在于所述感濕層2為多孔硅濕敏層，所述襯底層3為硅基片，多孔硅濕敏層2直接形成于硅基片3上，與硅基片3成為一個整體，硅基片3同時作為支撐和介電層，所述多孔硅濕敏層2及其硅基片3介于至少一對電極1和4之間，附著在多孔硅濕敏層2上的電極1做成可透水汽的結構，電極4附著在硅基片3背面上。
本實用新型多孔硅濕敏傳感器，其感濕層直接形成于硅襯底上。與多孔鋁濕敏傳感器相比，本實用新型的感濕層與基底結合牢固；硅襯底層處于電極之間作為介電材料，且使電極間距增大，從而避免了電極間短路或擊穿，使壽命和成品率都大大提高。本實用新型與現有其他濕敏傳感器相比，由于硅襯底可同時作為支撐，無需另加支撐襯底；單片可測量從0％－－100％的整個相對濕度范圍；精度好，優于3％；靈敏度高；起動快，短于五分鐘；線性度好；性能穩定，重復性好；制做工藝簡單；抗腐蝕；體積小，有效感濕面積可小至1平方毫米；壽命長；不需特殊的干燥環境，空氣中存放半年其性能無明顯變化，保管和使用方便；所用材料少，易于控制工藝過程；特別是可與后續電路集成在同一塊很小的硅片上。
本實用新型多孔硅濕敏傳感器的一般制做方法是采用P型或N型單晶硅外延基片雙面拋光，選擇其外延層電導率在0.1歐姆厘米－－1000歐姆厘米之間的外延基片。在氫氟酸中超聲清洗十分鐘以上，用去離子水清洗，干燥后，在背面濺射一層金屬膜，使之與電源正極連接，并將金屬膜用蠟封住，該單晶硅外延基片做為陽極；另取一鉑板與電源負極相連做為陰極。取重量百分比濃度5％－48％的氫氟酸，將如上的陰、陽極插入酸中，溫度控制在50℃以下，電流密度控制在幾到幾百毫安／平方厘米之間，通直流電處理半分鐘到數小時。取出后在熱水中除去蠟封，然后用稀鹽酸除去背面金屬膜電極。用去離子水清洗干凈，烘干后，用耐腐蝕金屬(例如金、鉑、銀、鎳等)通過濺射，真空蒸鍍或涂覆的方法在硅基片背面上和多孔硅濕敏膜上各形成一層金屬膜電極，其中多孔硅層上的電極必須做成可透水汽的結構，例如多孔結構、網篩結構或梳狀結構。
以下介紹一種具體的實施例。
1.多孔硅感濕材料的制備選用外延層電導率為1歐姆厘米、直徑約3毫米的P型單晶硅外延基片，雙面拋光，在氫氟酸中超聲清洗半小時，取出用去離子水清洗，干燥后在背面濺射一層鋁膜與電源正極相接，做為陽極，并將鋁膜用蠟封好；另取一鉑板與電源負極相接做為陰極。將如上的陰、陽極插入重量百分比濃度為20％的氫氟酸中，溫度控制在20℃，電流密度控制在30毫安／平方厘米，通直流電處理30分鐘，將處理后的硅基片取出，用熱水除去背面的蠟封，然后用稀鹽酸除去鋁電極，用去離子水清洗干凈，即為在硅基片上帶有多孔硅感濕層的元件片子。
2.器件的制做將上述帶有多孔硅感濕層的元件片子干燥后，在多孔硅濕敏層2的表面濺射一層網狀導電金膜作為正電極1，在片子的硅基片3背面濺射一層金膜做為負電極4，即為成品多孔硅濕敏傳感器。其結構示意圖由附圖1給出。
在按上述步驟制做的器件上，還可以在硅基片的背面用與上述相同的方法加上另一對電極5、6。在測試時可以用電極5和電極6配合作為加熱控溫電極，以達到控制測試時的工作溫度或在測試開始前升溫以清洗濕敏傳感器表面吸附的有害物質的目的。
3.多孔硅濕敏傳感器的使用和效果①校準和標定用化學純的氯化鎂(MgCl2)、 碳酸鉀(K2CO3)、 硫酸銨((NH4)2SO4)、氯化鉀(KCl)、硝酸鉀(KNO3)做為溶質，用去離子水做為溶劑，分別制取它們的飽和溶液。將上述飽和溶液以及去離子水和干燥空氣分別密封在不同的玻璃容器中，在溶液上面的空間中形成不同濕度值的標準濕度空間。將按上述方法制做的多孔硅濕度傳感器分別密封于各個標準濕度空間內，分別將電極1、4、5、6引出濕度空間外。電極1、4分別接電容表兩極，5、6分別接可調控溫加熱電源兩極。測試溫度控制在20℃，測量置于不同的濕度空間內的多孔硅濕敏傳感器的電容值，并從前述《濕度測量》一書中查得上述各飽和溶液對應的標準相對濕度值列于表1。
按上表數據作出電容一相對濕度曲線，實驗值在圖中用△表示。
由實驗發現，這一關系非常接近線性，因此可用線性擬合方法得到校正直線，用此直線來標定多孔硅濕度傳感器，其電容顯示值C(nF)與相對濕度RH％關系的經驗公式如下相對濕度百分比RH％＝ (C－6.3)/11.2 ×100％由實驗測得的電容C(nF)值代入此公式計算得出的測量相對濕度值和計算出的誤差值列于表1中。
②測試分別選用硝酸鎂(Mg(NO3)2)、氯化鋰(LiCl)、硫酸鉀(K2SO4)的飽和水溶液，在封閉空間形成的濕度環境做為待測濕度空間，將校正好的多孔硅濕度傳感器封入待測空間，引出電極1、4、5、6并將電極1、4與電容表相連，電極5、6與可調控溫加熱電源相連。控制測量時環境溫度在恒溫20℃，測量其電容。用校正公式計算出對應的測量濕度值，并查出其標準相對濕度值，計算其誤差，列于表2中。
在測量前為清除濕敏傳感器表面吸附的其他有害物質對測量的影響，可先在電極5、6加兩伏電壓持續10分鐘，以達到清洗的目的。待整個系統回到室溫，并控制環境溫度在20℃時再開始測量。
③結論上述測試過程顯示，采用本實用新型多孔硅濕敏傳感器，在濕度空間平衡后，測量起動時間短于5分鐘。此實施例中，測量誤差小于±0.8％；線性度誤差小于±3％；測量范圍可以是從0％～100％的整個相對濕度范圍；相對濕度從10％變化到90％時電容可改變200％以上，靈敏度高。本實用新型多孔硅濕敏傳感器在測試之前業已存放半年，與早期結果相比未見明顯變化。
權利要求1.一種濕敏傳感器，由感濕層、襯底層和電極組成，其特征在于所述感濕層為多孔硅層，所述的襯底層為硅基片，多孔硅層直接形成于硅基片上成為一個整體，硅基片同時作為支撐和電介層，所述多孔硅層及其硅基片介于至少一對電極之間。
專利摘要本實用新型多孔硅濕敏傳感器，以直接形成于硅基片上的多孔硅層為感濕層，襯底同時作為支撐和介電層，多孔硅濕敏層及其硅基片介于至少一對電極之間。本濕敏傳感器單片可在整個相對濕度范圍內測量，精度高，起動快，靈敏度高，線性度好，性能穩定，重復性好，抗腐蝕，壽命長，制作工藝簡單，所用材料少，易于控制工藝過程。特別是可與后續電路集成在同一硅片上。
文檔編號G01N27/00GK2148329SQ92245948
公開日1993年12月1日 申請日期1992年12月25日 優先權日1992年12月25日
發明者韓正甫, 石軍巖, 洪義麟, 陶曉明, 付紹軍 申請人:中國科學技術大學