硅衬底氧化锆薄膜湿敏元件研制及特性研究

论文摘要

湿度传感器在生产与生活各方面都有广泛的应用。为了将传感器与控制电路集成，需要研制硅衬底薄膜型湿敏元件。本文从这一目的出发，研制了硅衬底氧化锆薄膜湿敏元件，研究包括设计元件电极结构，实验寻找并优化氧化锆薄膜及过渡层薄膜的制备工艺，薄膜特性表征，湿敏元件制作及湿敏特性测量，敏感机理分析等。用ANSYS软件电场防真设计了电极的尺寸，并通过溅射、光刻、剥离等半导体平面工艺在硅衬底上制作了Pt电极。研究了用溶胶-凝胶法制备氧化锆敏感薄膜及过渡层氧化钛薄膜的制备工艺，通过反复大量实验，并结合示差热扫描-热重分析，优化并确定了溶胶配置（浓度比例、混合速率、加热温度、放置时间等）、甩胶速率、湿膜前烘温度和时间、退火温度和时间等工艺的最佳条件。通过X射线衍射仪、台阶仪、原子力显微镜、光电子能谱仪等测试手段对制备的氧化锆、氧化钛及氧化锆／氧化钛双层薄膜进行了表征及分析。制成了具有ZrO2／TiO2／Pt／SiO2／Si结构的湿敏元件。测试了制得的硅基氧化锆薄膜湿敏元件的特征参数，在11％-98％RH范围内，元件阻抗变化了4个数量级，说明元件具有很高的灵敏度并且可用于全湿度范围；元件的湿滞约为10％RH；响应时间为15 s，恢复时间为25 s；频率对元件的感湿特性影响较小。本文通过单层氧化锆薄膜和双层氧化锆／氧化钛薄膜的XPS的O 1s谱分析了双层膜比单层膜感湿特性好的原因。利用测试的湿敏元件的复阻抗谱得到了元件的感湿等效电路，分析了湿敏元件的感湿机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 湿度传感器的发展概况
• 1.1.1 毛发湿度传感器
• 1.1.2 露点测试仪
• 1.1.3 高分子材料湿度传感器
• 1.1.4 金属氧化物陶瓷湿度传感器
• 1.2 硅基微结构湿度传感器
• 1.2.1 硅基电容式湿度传感器
• 1.2.2 硅基电阻式湿度传感器
• 1.2.3 硅基悬臂粱型湿度传感器
• 1.2.4 利用半导体器件效应制作的传感器
• 1.3 湿敏薄膜材料的应用状况
• 1.4 薄膜制备方法简介
• 1.5 本文的主要工作
• 2 硅衬底上感湿电极的设计与制作
• 2.1 电极的形状设计
• 2.2 电极制作流程
• 2.3 晶圆上电极的分割
• 3 湿敏薄膜的制备与表征
• 3.1 溶胶-凝胶制膜法简介
• 3.2 氧化锆薄膜制备
• 3.2.1 原材料及仪器设备
• 3.2.2 制备方法
• 3.2.3 涂膜及热处理
• 3.3 氧化锆薄膜表征
• 3.3.1 热分析
• 3.3.2 X射线衍射分析
• 3.3.3 台阶仪测试
• 3.3.4 原子力显微镜测试
• 3.4 氧化钛过渡层薄膜制备
• 3.4.1 原材料及仪器设备
• 3.4.2 制备方法
• 3.4.3 涂膜及热处理
• 3.5 氧化钛薄膜表征
• 3.5.1 热分析
• 3.5.2 X射线衍射仪分析
• 3.5.3 台阶仪测试
• 3.6 氧化锆/氧化钛双层薄膜元件的制备
• 3.7 氧化锆/氧化钛双层薄膜表征
• 3.7.1 X射线光电子能谱分析的基本原理
• 3.7.2 XPS分析
• 3.8 本章小结
• 4 湿度敏元件性能测试
• 4.1 测量系统
• 4.2 元件的感湿灵敏度及湿度量程
• 2/TiO₂/Pt/SiO₂/Si元件湿敏特性测试'>4.2.1 ZrO₂/TiO₂/Pt/SiO₂/Si元件湿敏特性测试
• 2薄膜湿敏特性测试'>4.2.2 TiO₂薄膜湿敏特性测试
• 4.3 元件的湿滞特性
• 4.4 元件的响应恢复时间
• 4.5 元件的频率特性
• 4.6 温度特性
• 4.7 本章小结
• 5 湿敏元件感湿特性及机理分析
• 5.1 X射线光电子能谱（XPS）分析
• 5.2 湿敏元件阻抗特性曲线分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢