基于氮化镓的湿度传感器的制造、机理与应用

逍遥设计自动化

引言
氮化镓(GaN)因具有高电子迁移率、宽能带隙、生物相容性和化学稳定性等优异特性，成为湿度传感应用的理想材料。GaN的纤锌矿晶体结构中，最外层的镓原子呈现正电性，具有优异的配体结合能力，特别是与阴离子的结合，通过水分子自电离现象实现湿度检测。
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- u$ I5 B- Z, U+ v" c制造工艺

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  e, H2 ?+ [: @/ C6 O% |图1展示了湿度传感器的制造工艺示意图，显示了制造GaN基传感器件的关键步骤。

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图2显示了全面的材料表征结果，包括GaN层的STEM图像(a)、氮元素分布图(b)、镓元素分布图(c)、交叉电极的STEM图像(d)、银元素分布图(e)、碳元素分布图(f)，以及GaN(g)和交叉电极(h)的纳米轮廓。
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8 o( r1 [3 X9 i2 {/ y制造过程包含两个主要步骤：首先通过脉冲调制直流磁控溅射沉积GaN感应层，其次使用喷墨打印技术制作交叉电极(IDEs)。溅射过程使用高纯度液态镓靶材，并以特定流量比混合N2和Ar气体。为提高GaN薄膜的晶体质量，首先沉积20nm的ZnO缓冲层。
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/ O/ V/ Y- `+ n) _' @材料表征

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图3展示了材料分析结果，包括XPS光谱的整体扫描(a)、Ga 3d能带(b)、N 1s能带(c)、O 1s能带(d)、XRD图谱(e)和拉曼光谱(f)。

传感机理与性能
  U% V2 n8 T/ }传感机理基于水分子与GaN表面的相互作用。暴露在潮湿环境中时，水分子发生自电离，产生氢离子(H3O+)和羟基离子(OH-)。这些离子与GaN表面相互作用，引起电学性质变化，可通过阻抗或电容的变化进行测量。

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" e4 i/ q, C) k' {8 n% Q图4显示了湿度测试装置(a)、1kHz下测量和模拟的阻抗与电容响应(b)、阻抗响应与恢复(c)、电容响应与恢复(d)、阻抗稳定性(e)和电容稳定性(f)。
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传感器展现出优异的性能特征：
2 u& R9 D3 r5 Y; U% c; f

在0-100%相对湿度范围内呈线性响应

电容灵敏度为8.53 nF/RH%

阻抗灵敏度为79 kΩ/RH%

响应时间3.5秒

恢复时间9秒

滞后小于3.53%
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模拟结果
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7 f* q! Y( Z% G/ P* u# U8 Z* U" k- `图5展示了模拟结果，包括相对介电常数随频率的变化(a)、能带隙随温度的变化(b)、电导率随频率的变化(c)、电能(d)、相对介电常数随温度的变化(e)和电容响应随温度的变化(f)。
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图6展示了传感机理，包括水分子的化学吸附(a)、电势的3D视图(b)、电势的截面图(c)、电场线的3D视图(d)、器件层的截面图(e)和等效电路(f)。

4 F. H! |( w  x0 S) G实际应用

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  v- @0 E0 Q' i9 {* [+ x% D: m  S图7显示了实际应用，包括传感器集成到口罩上(a)、人体呼吸的电流响应(b)、接近手指时的时变电流响应(c)和不同距离的测量结果(d)。

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1 a6 ~1 A, G8 A4 L9 u0 L图8展示了植物监测和肉类新鲜度检测的应用，包括传感器附着在植物叶片上(a)、植物蒸腾监测结果(b)、氨基酸结构和分解机理(c)以及肉类新鲜度状态的电流响应(d)。

! t- c0 Y& a0 [' R应用与展望
: h9 c  Q, \) |3 r: P9 x3 w, k传感器在多个领域展示了实用价值：

通过口罩集成实现人体呼吸监测

近距离感应

智慧农业中的植物蒸腾监测

通过氨气感应进行肉类新鲜度检测

2 W  D# d3 G2 |' W, |) K' H* ^  e结合优异的传感性能、生物相容性和温度稳定性，该GaN基湿度传感器特别适用于从医疗保健到食品质量控制等多个领域的实时监测应用。
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参考文献
[1] C. M. Furqan et al., "Humidity sensor based on Gallium Nitride for real time monitoring applications," Scientific Reports, vol. 11, no. 1, p. 11088, May 2021, doi: 10.1038/s41598-021-89956-0.
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