湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种湿度传感器及其制备方法，湿度传感器包括绝缘衬底、设置在所述绝缘衬底上的电极层、二维过渡金属硫化层以及二维过渡金属氧化层；所述二维过渡金属氧化层复合在所述二维过渡金属硫化层上，两者形成复合结构；并且，所述二维过渡金属氧化层和二维过渡金属硫化层之间具有能够引起电荷转移的费米能级差异，从而在所述复合结构界面形成空间电荷区与势垒。本发明专利技术的湿度传感器结合二维过渡金属氧化层成熟的湿敏特性以及二维过渡金属硫化层比表面积大、敏感性高、性能稳定等优点，形成的湿度传感器具有较高的灵敏度、稳定性和耐腐蚀性，同时也提高了工作温度、湿度范围。湿度范围。湿度范围。

【技术实现步骤摘要】
湿度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种湿度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]湿度传感器是能感知环境中水分子及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体中水分子含量有关的信息转换成电、光、声等可以被设备直接读取、量化的信号，从而进行检测、监控、分析、报警等。以过渡金属氧化物半导体MoO3、WO3等为代表的成熟的湿度传感器因其灵敏度高、响应速度快、经济可靠、体积小易携带与现状电子设备兼容等优点而得到迅猛发展，目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。
[0003]二维过渡金属硫化物具有载流子迁移率高、机械强度高、化学稳定性和热稳定性好等优点，同时由于其分子级的厚度和巨大的比表面积，其电学性能很容易受周围环境与表面吸附水分子影响，将TMDCs直接应用于湿度传感时，二维TMDCs材料薄膜既是湿度敏感层又是导电沟道，这时随着二维材料厚度减小，载流子受表面散射的影响将会越来越大。二维材料与吸附分子间的电荷转移不仅改变材料中的载流子浓度，同时吸附分子作为散射中心将显著降低载流子的迁移率，因此电阻的改变难以真实反映湿度的变化。
[0004]因此，有必要对湿度传感器进行改进，解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种基于二维过渡金属硫化物及其氧化物复合结构，提高灵敏度和稳定性的湿度传感器及其制备方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种湿度传感器，包括绝缘衬底、设置在所述绝缘衬底上的电极层、二维过渡金属硫化层以及二维过渡金属氧化层；
[0007]所述二维过渡金属氧化层复合在所述二维过渡金属硫化层上，两者形成复合结构；并且，所述二维过渡金属氧化层和二维过渡金属硫化层之间具有能够引起电荷转移的费米能级差异，从而在所述复合结构界面形成空间电荷区与势垒。
[0008]优选地，所述二维过渡金属氧化层为MoO3，所述二维过渡金属硫化层为MoS2。
[0009]优选地，所述二维过渡金属氧化层为WO3，所述二维过渡金属硫化层为WS2。
[0010]优选地，所述二维过渡金属氧化层为WO3，所述二维过渡金属硫化层为WSe2。
[0011]优选地，所述绝缘衬底的材料包括玻璃、石英、陶瓷和蓝宝石中至少一种。
[0012]优选地，所述绝缘衬底为具有绝缘层的半导体衬底；所述绝缘层的厚度为20nm
‑
2000nm。
[0013]优选地，所述半导体衬底为半导体晶圆片；所述半导体晶圆片为元素半导体Si、Ge，化合物半导体GaAs、InP中的一种或多种制成。
[0014]优选地，所述绝缘层的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中至少一种。
[0015]优选地，所述电极层的材料包括Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属、Cr单质金属及以上单质金属的合金中至少一种。
[0016]优选地，所述电极层的材料包括导电硅化物、氮化物和碳化物中至少一种。
[0017]优选地，所述电极层的厚度为20nm
‑
1000nm。
[0018]优选地，所述电极层为叉指电极层，其叉指段的宽度为20um，相邻的所述叉指段之间的间距为10um。
[0019]优选地，所述湿度传感器的工作温度为0℃～100℃，湿度范围为11％～95％。
[0020]本专利技术还提供一种湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0021]S1、提供绝缘衬底，所述绝缘衬底的表面上设有二维过渡金属硫化层；
[0022]S2、将所述二维过渡金属硫化层图形化，去除目标导电沟道之外的二维过渡金属硫化层部分；
[0023]S3、在所述二维过渡金属硫化层上设置二维过渡金属氧化层，两者形成复合结构；
[0024]S4、在所述绝缘衬底的表面上设置电极层，所述电极层还覆盖至所述复合结构上。
[0025]本专利技术的有益效果：本专利技术的湿度传感器为基于二维过渡金属硫化物及其氧化物复合结构的湿度传感器，通过二维过渡金属硫化物及其氧化物构成的二维复合结构及其界面产生的空间电荷区与势垒；当水分子吸附在二维过渡金属氧化层表面之后发生电荷转移，引起二维过渡金属氧化层内的载流子浓度发生变化，进而导致复合结构空间电荷区与势垒的变化，最终使得正向偏压下传感器电阻发生改变从而实现对环境湿度的传感。本专利技术的湿度传感器结合二维过渡金属氧化层成熟的湿敏特性以及二维过渡金属硫化层比表面积大、敏感性高、性能稳定等优点，形成的湿度传感器具有较高的灵敏度、稳定性和耐腐蚀性，同时也提高了工作温度、湿度范围。
[0026]本专利技术的湿度传感器易于集成到半导体基芯片上，符合湿度传感器小型化、便携化、智能化的发展趋势。
附图说明
[0027]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0028]图1是本专利技术一实施例的湿度传感器的纵向剖面结构示意图；
[0029]图2是本专利技术一实施例的湿度传感器的俯视图。
具体实施方式
[0030]为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。
[0031]如图1、2所示，本专利技术一实施例的湿度传感器，包括绝缘衬底100、设置在绝缘衬底100上的电极层200、二维过渡金属硫化层300以及二维过渡金属氧化层400。
[0032]二维过渡金属氧化层(二维TMOs)400复合在二维过渡金属硫化层(二维TMDCs)300上，两者形成复合结构(TMOs
‑
TMDCs)。并且，二维过渡金属氧化层400和二维过渡金属硫化层300之间具有费米能级差异，该差异能够引起电荷转移，从而在复合结构界面形成空间电荷区与势垒。
[0033]具体地，绝缘衬底100具有相背的第一表面和第二表面，电极层200、二维过渡金属硫化层300以及二维过渡金属氧化层400均设置在绝缘衬底100的第一表面上。
[0034]作为选择，绝缘衬底100可由玻璃、石英、陶瓷和蓝宝石等材料中至少一种制成。由
于前述材料均为绝缘材料，由该些材料中一种或多种混合制成的衬底即具有绝缘性能。绝缘衬底100也可以是叠层结构，各层材料可相同或不同。
[0035]或者，绝缘衬底100为具有绝缘层的半导体衬底。绝缘层的厚度为20nm
‑
2000nm。绝缘层的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中至少一种，即绝缘层可由以上任一种或多种制成，也可以是叠层结构，各层材料可相同或不同。半导体衬底可优选半导体晶圆片；半导体晶圆片为元素半导体Si、Ge，化合物半导体GaAs、InP中的一种或多种制成。
[0036]在绝缘衬底100上，二维过渡金属硫化层300经过图形化，根据所需导电沟道具有对应的形状或走向，作为导电沟道。二维过渡金属氧化层400复合在二维过渡金属硫化层300上，作为湿度敏感层，用于与水分子接触，对二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括绝缘衬底、设置在所述绝缘衬底上的电极层、二维过渡金属硫化层以及二维过渡金属氧化层；所述二维过渡金属氧化层复合在所述二维过渡金属硫化层上，两者形成复合结构；并且，所述二维过渡金属氧化层和二维过渡金属硫化层之间具有能够引起电荷转移的费米能级差异，从而在所述复合结构界面形成空间电荷区与势垒。2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述二维过渡金属氧化层为MoO3，所述二维过渡金属硫化层为MoS2；或者，所述二维过渡金属氧化层为WO3，所述二维过渡金属硫化层为WS2；或者，所述二维过渡金属氧化层为WO3，所述二维过渡金属硫化层为WSe2。3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述绝缘衬底的材料包括玻璃、石英、陶瓷和蓝宝石中至少一种。4.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述绝缘衬底为具有绝缘层的半导体衬底；所述绝缘层的厚度为20nm
‑
2000nm。5.根据权利要求4所述的湿度传感器，其特征在于，所述半导体衬底为半导体晶圆片；所述半导体晶圆片为元素半导体Si、Ge，化合物半导体GaAs、InP中的一种或多种制成。6.根据权利要求4所述的湿度传感器，其特征在于，所述绝缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，吴一帆，
申请(专利权)人：深圳通感微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：