一种孔洞型高灵敏湿度探测装置的制作方法

1.本发明涉及湿度探测装置技术领域，具体涉及一种孔洞型高灵敏湿度探测装置。


背景技术：

2.在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。环境的湿度与仪器设备的正常使用关系密切。和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100％rh)测量，而需要在某个湿度范围内，具有较高的灵敏度。测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。现有技术中，由于传统将结构的局限，对于湿度的探测灵敏度较低。


技术实现要素：

3.为解决以上问题，本发明提供了一种孔洞型高灵敏湿度探测装置，包括衬底层、第一导电层、光敏半导体层、第二导电层；第一导电层设置在衬底层上，光敏半导体层设置在第一导电层上，第二导电层设置在光敏半导体层上，第二导电层中设有多个贯穿的孔洞，孔洞延伸至光敏半导体层内。
4.更进一步地，第一导电层的功函数高，第二导电层的功函数低。
5.更进一步地，孔洞贯穿光敏半导体层。
6.更进一步地，在光敏半导体层内，孔洞为锥形。
7.更进一步地，光敏半导体层的厚度小于2微米。
8.更进一步地，在光敏半导体层内，孔洞内设有吸湿膨胀材料。
9.更进一步地，在光敏半导体层内，吸湿膨胀材料填充孔洞的底部。
10.更进一步地，第一导电层的材料为pt、au、ti、ta中任一种。
11.更进一步地，第二导电层的材料为ito、fto、gzo中的任一种。
12.更进一步地，光敏半导体层的材料为cds、zns、cdse、pbs、insb、gezn中的任一种。
13.本发明的有益效果：本发明提供了一种孔洞型高灵敏湿度探测装置。第一导电层设置在衬底层上，光敏半导体层设置在第一导电层上，第二导电层设置在光敏半导体层上，第二导电层中设有多个贯穿的孔洞，孔洞延伸至光敏半导体层内。应用时，将本装置置于待测环境中；应用光从孔洞一侧照射本装置；第一导电层和第二导电层通过电极连接外电路中的电压源和电流表，用以测量第一导电层和第二导电层之间的电流。由于第一导电层和第二导电层的功函数不同，第一导电层与光敏半导体层接触后，光敏半导体层中的载流子自发扩散导致光敏半导体层中的能带发生弯曲，在光敏半导体层中形成一个由第二导电层指向第一导电层的内建电场。当入射光照射光敏半导体层时，光敏半导体层价带中的电子吸收光子转变为自由电子，在内建电场作用下，自由电子由第一导电层向第二导电层迁移，在外电路中形成电流。同时，水汽进入孔洞，一方面改变了光敏半导体层的导电特性；另一方面改变了价带中的电子转化为自由电子的过程；再一方面改变了具有孔洞的光敏半导体层对入射光的吸收，从而改变了外电路中的电流，从而实现湿度探测。因为本发明能够从上
述三个方面改变外电路中的电流，所以本发明具有湿度探测灵敏度高的优点。在制备本发明时，逐次物理气相沉积各层后，应用离子束刻蚀和腐蚀的方法制备孔洞即可，本发明的制备过程简单。
14.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
15.图1是一种孔洞型高灵敏湿度探测装置的示意图。
16.图2是又一种孔洞型高灵敏湿度探测装置的示意图。
17.图3是再一种孔洞型高灵敏湿度探测装置的示意图。
18.图中：1、衬底层；2、第一导电层；3、光敏半导体层；4、第二导电层；5、孔洞；6、吸湿膨胀材料。
具体实施方式
19.现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
20.实施例1
21.本发明提供了一种孔洞型高灵敏湿度探测装置。如图1所示，该孔洞型高灵敏湿度探测装置包括衬底层1、第一导电层2、光敏半导体层3、第二导电层4。衬底层1为绝缘材料，衬底层1的材料为二氧化硅或橡胶。第一导电层2设置在衬底层1上。第一导电层2的功函数高。具体地，第一导电层2的材料为pt、au、ti、ta中任一种。光敏半导体层3设置在第一导电层2上。在光的照射下，光敏半导体层3的导电特性发生严重变化。具体地，光敏半导体层3的材料为cds、zns、cdse、pbs、insb、gezn中的任一种。第二导电层4设置在光敏半导体层3上。第二导电层4的功函数低。具体地，第二导电层4的材料为ito、fto、gzo中的任一种。第二导电层4中设有多个贯穿的孔洞5，孔洞5延伸至光敏半导体层3内。如图1所示，孔洞5的形状为圆形，圆形的孔洞5贯穿第二导电层4后，延伸至光敏半导体层3内，但是孔洞5不穿透光敏半导体层3。这样一来，当孔洞5中具有水汽时，水汽与光敏半导体层3具有更多的接触面积，从而能够更多地改变光敏半导体层3的导电特性。优选地，在光敏半导体层3内，孔洞5的深度大于光敏半导体层3厚度的一半，以便于孔洞5中的水汽与光敏半导体层3具有更多的接触面积，更多地改变光敏半导体层3的导电特性，从而实现高灵敏度的湿度探测。
22.本发明制备过程简单：首先在衬底层1上，应用物理气相沉积的方法制备第一导电层2；然后，应用物理气相沉积的方法制备光敏半导体层3；然后，还是应用物理气相沉积的方法制备第二导电层4；最后，应用离子束刻蚀或腐蚀的方法制备孔洞5。因此，本发明的结构简单、制备方法也简单。
23.应用时，将本装置置于待测湿度的环境中，环境中具有水汽；应用光从孔洞5一侧照射本装置，入射光进入孔洞5或耦合进入孔洞5；第一导电层2和第二导电层4通过电极连接外电路中的电压源和电流表，用以测量第一导电层2和第二导电层4之间的电流。在第一导电层2和第二导电层上4制备电极为常规技术手段，在此不再赘述。由于第一导电层2和第二导电层4的功函数不同，第一导电层2与光敏半导体层3接触后，光敏半导体层3中的载流子自发扩散导致光敏半导体层3中的能带发生弯曲，在光敏半导体层3中形成一个由第二导
电层4指向第一导电层2的内建电场。当入射光照射光敏半导体层3时，光敏半导体层3价带中的电子吸收光子转变为自由电子，在内建电场作用下，自由电子由第一导电层2向第二导电层4迁移，在外电路中形成电流。同时，水汽进入孔洞5，一方面改变了光敏半导体层3的导电特性；另一方面改变了价带中的电子转化为自由电子的过程；再一方面改变了具有孔洞5的光敏半导体层3对入射光的吸收，从而改变了外电路中的电流，从而实现湿度探测。
24.因为本发明能够从上述三个方面改变外电路中的电流，所以本发明具有湿度探测灵敏度高的优点。如上所述，在制备本发明时，逐次物理气相沉积各层后，应用离子束刻蚀和腐蚀的方法制备孔洞5即可，本发明的制备过程简单。因此，本发明在湿度的高灵敏探测灵敏具有良好的应用前景。
25.总之，本发明充分利用了光敏半导体层3的导电敏感特性和内建电场的灵敏性，实现了高灵敏湿度探测。
26.实施例2
27.在实施例1的基础上，孔洞5贯穿光敏半导体层3。当孔洞5贯穿光敏半导体层3时，制备过程中不用精确控制孔洞5的深度，所以制备过程简单。
28.实施例3
29.在实施例1的基础上，如图2所示，在光敏半导体层3内，孔洞5为锥形。也就是说，孔洞5贯穿第二导电层4，在第二导电层4内，孔洞5的直径相同；在光敏半导体层3内，孔洞5的直径逐渐减小。这样一来，入射光更容易被孔洞5吸收。当孔洞5内的水汽数量改变时，更多地改变了光敏半导体层3内价带中的电子转化为自由电子的数目，从而提高了湿度探测的灵敏度。
30.更进一步地，在第二导电层4内，孔洞5的直径大于1微米、小于5微米；光敏半导体层3的厚度小于2微米。在光敏半导体层3中形成锥形孔洞，能够更好地聚集可见光激发的电场。光敏半导体层3的厚度小于2微米，以便于水汽能够更多地改变光敏半导体层3的导电特性。
31.实施例4
32.在实施例3的基础上，如图3所示，在光敏半导体层3内，孔洞5内设有吸湿膨胀材料6。具体地，在光敏半导体层3内，吸湿膨胀材料6填充孔洞5的底部。应用时，吸湿膨胀材料6吸收水汽、发生膨胀。一方面改变了光敏半导体层3内的应力；另一方面改变了孔洞5的尺寸，从而改变了进入光敏半导体层3内的入射光和进入光敏半导体层3的水汽量；再一方面还增加了光敏半导体层3内水汽含量。这三方面的效果导致外电路中的电流发生更多的变化，从而提高湿度探测的灵敏度。
33.更进一步地，还包括贵金属颗粒，贵金属颗粒设置在吸湿膨胀材料6的顶部。当吸湿膨胀材料6发生膨胀时，贵金属颗粒之间的距离发生变化，从而在贵金属颗粒之间形成强电场，增强了贵金属颗粒对入射光的吸收，在贵金属颗粒附近产生强电场，从而增强了入射光与光敏半导体层3之间的作用。当孔洞5中的水汽量变化时，外电路中的电流变化更多，从而实现更高灵敏度的湿度探测。
34.尽管已经示出并描述了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应认识到：在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，其中，本发明的范围在权利要求中限定。