基于氮化鎵的濕度傳感器的制造、機理與應用

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引言
氮化鎵(GaN)因具有高電子遷移率、寬能帶隙、生物相容性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，成為濕度傳感應用的理想材料。GaN的纖鋅礦晶體結構中，最外層的鎵原子呈現(xiàn)正電性，具有優(yōu)異的配體結合能力，特別是與陰離子的結合，通過水分子自電離現(xiàn)象實現(xiàn)濕度檢測。
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制造工藝
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4 |7 m8 A6 T+ ?1 R' K圖1展示了濕度傳感器的制造工藝示意圖，顯示了制造GaN基傳感器件的關鍵步驟。

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! I! Z: [4 `, ~圖2顯示了全面的材料表征結果，包括GaN層的STEM圖像(a)、氮元素分布圖(b)、鎵元素分布圖(c)、交叉電極的STEM圖像(d)、銀元素分布圖(e)、碳元素分布圖(f)，以及GaN(g)和交叉電極(h)的納米輪廓。
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制造過程包含兩個主要步驟：首先通過脈沖調制直流磁控濺射沉積GaN感應層，其次使用噴墨打印技術制作交叉電極(IDEs)。濺射過程使用高純度液態(tài)鎵靶材，并以特定流量比混合N2和Ar氣體。為提高GaN薄膜的晶體質量，首先沉積20nm的ZnO緩沖層。

$ {. Q, ?7 M! C% o材料表征

$ h* p/ }0 K! m4 S( s4 j圖3展示了材料分析結果，包括XPS光譜的整體掃描(a)、Ga 3d能帶(b)、N 1s能帶(c)、O 1s能帶(d)、XRD圖譜(e)和拉曼光譜(f)。
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& [+ W2 o! ]+ I# C傳感機理與性能
/ v- N% Z( Z/ @7 k- p傳感機理基于水分子與GaN表面的相互作用。暴露在潮濕環(huán)境中時，水分子發(fā)生自電離，產生氫離子(H3O+)和羥基離子(OH-)。這些離子與GaN表面相互作用，引起電學性質變化，可通過阻抗或電容的變化進行測量。
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圖4顯示了濕度測試裝置(a)、1kHz下測量和模擬的阻抗與電容響應(b)、阻抗響應與恢復(c)、電容響應與恢復(d)、阻抗穩(wěn)定性(e)和電容穩(wěn)定性(f)。

傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能特征：
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在0-100%相對濕度范圍內呈線性響應

電容靈敏度為8.53 nF/RH%

阻抗靈敏度為79 kΩ/RH%

響應時間3.5秒

恢復時間9秒

滯后小于3.53%
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, ^9 Z/ W# S% [5 c, V模擬結果

圖5展示了模擬結果，包括相對介電常數(shù)隨頻率的變化(a)、能帶隙隨溫度的變化(b)、電導率隨頻率的變化(c)、電能(d)、相對介電常數(shù)隨溫度的變化(e)和電容響應隨溫度的變化(f)。

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圖6展示了傳感機理，包括水分子的化學吸附(a)、電勢的3D視圖(b)、電勢的截面圖(c)、電場線的3D視圖(d)、器件層的截面圖(e)和等效電路(f)。

4 h9 ~# I: N% I. H實際應用

圖7顯示了實際應用，包括傳感器集成到口罩上(a)、人體呼吸的電流響應(b)、接近手指時的時變電流響應(c)和不同距離的測量結果(d)。

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圖8展示了植物監(jiān)測和肉類新鮮度檢測的應用，包括傳感器附著在植物葉片上(a)、植物蒸騰監(jiān)測結果(b)、氨基酸結構和分解機理(c)以及肉類新鮮度狀態(tài)的電流響應(d)。

應用與展望
傳感器在多個領域展示了實用價值：

通過口罩集成實現(xiàn)人體呼吸監(jiān)測

近距離感應

智慧農業(yè)中的植物蒸騰監(jiān)測

通過氨氣感應進行肉類新鮮度檢測

結合優(yōu)異的傳感性能、生物相容性和溫度穩(wěn)定性，該GaN基濕度傳感器特別適用于從醫(yī)療保健到食品質量控制等多個領域的實時監(jiān)測應用。

參考文獻
[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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