Un capteur d'humidité de type FET hautement sensible avec des nanoparticules Pt-In2O3 imprimées à jet d'encre à température ambiante

Introduction

Les capteurs d'humidité sont souhaités pour la détection et le contrôle de l'humidité dans divers secteurs, tels que les industries des semi-conducteurs et de l'automobile, l'agriculture et le domaine médical [1,2,3,4]. Ils peuvent être classés en type capacitif [5,6,7], type résistif [8,9,10], type à électrolyte solide [11], type à ondes acoustiques de surface (SAW) [12], microbalance à cristal de quartz (QCM) [ 13], etc. en fonction de leurs mécanismes de fonctionnement et de leurs approches de détection. Parmi eux, les capteurs d'humidité de type résistif, qui détectent la variation de résistivité des matériaux de détection avec la quantité de molécules d'eau adsorbées, ont intéressé les chercheurs en particulier en raison de leur structure simple, de leur fabrication facile et de leur fonctionnement et application pratiques [14, 15] . Afin de développer un capteur d'humidité de type résistif fiable avec une sensibilité élevée et des temps de réponse et de récupération courts des capteurs de type résistif, de nombreux nouveaux matériaux ont été étudiés [14, 15], et les oxydes métalliques nanostructurés sont identifiés comme de solides candidats en considération de leur faible coût, leur stabilité de fonctionnement élevée et leur bonne compatibilité [15,16,17,18,19].

Récemment, dans₂ O₃ , en tant qu'oxydes métalliques semi-conducteurs typiques de type n, a attiré beaucoup d'attention en raison de ses caractéristiques de détection prometteuses dans la détection de divers gaz cibles [20,21,22]. Il a été constaté que l'impédance de In₂ O₃ est sensible à l'humidité même à température ambiante, en particulier ceux dopés ou décorés avec des métaux nobles ou d'autres oxydes [14, 23, 24, 25]. Cependant, ces capteurs d'humidité de type résistif basés sur In₂ O₃ sont principalement évalués par une tension d'excitation alternative sans polarisation continue pour éviter la polarisation des capteurs [23]. En conséquence, le courant mesuré doit être réhabilité et redressé en un signal continu pour l'autre mise à l'échelle ou le traitement [26], ce qui augmente la complexité de la mesure et limite l'application des capteurs. De plus, la plupart d'entre eux présentent une résolution et une sensibilité relativement médiocres pour la détection de faible taux d'humidité (inférieur à 25 %) et doivent encore être améliorés [23, 27].

Dans ce travail, une plate-forme de capteur FET a été fabriquée, qui a une grille flottante planificateur (FG) faisant face à la grille de contrôle (CG) horizontalement. Dopé en₂ O₃ nanoparticules avec Pt (Pt-In₂ O₃ ) ont été déposés sur le substrat FET pour servir de matériau de détection avec un processus d'impression à jet d'encre pour une détection d'humidité relative (HR) inférieure à 18 %. La construction spéciale de la plate-forme FET rend le dépôt du matériau de détection très facile et évite la pollution du canal du substrat FET. Plus important encore, contrairement au mécanisme de changement d'impédance du capteur de type résistif, la plate-forme de capteur FET reflète les changements de fonction de travail du matériau de détection, ce qui améliore efficacement les performances d'humidité de In₂ O₃ -à base de capteurs. Dans cet article, les performances de détection d'HR du Pt-In de type FET proposé₂ O₃ le capteur d'humidité a été étudié en détail et comparé à un Pt-In₂ O₃ capteur de type résistif fabriqué sur la même plaquette de silicium. Les expériences indiquent que le travail de surface de Pt-In₂ O₃ est beaucoup plus sensible à l'adsorption de vapeur d'eau qu'au changement de résistance. Le mécanisme derrière la performance de détection des deux capteurs et la différence entre eux ont été discutés en utilisant des diagrammes de bande d'énergie du matériau de détection. Le comportement d'adsorption de la vapeur d'eau sur Pt-In₂ O₃ et les procédures de réaction ont également été expliquées.

Méthodes

Fabrication de plateformes

Pour comprendre en profondeur le principe de détection du capteur d'humidité FET proposé, un dispositif de type résistif avec le même Pt-In₂ O₃ le matériel de détection a également été étudié dans cet article. Les plates-formes de capteurs de type résistif (Fig. 1a) et de type FET (Fig. 1b) ont été fabriquées sur la même plaquette de silicium pour une comparaison équitable entre elles. La figure 1a présente la plate-forme de résistance vide, et l'encart est ses électrodes agrandies après avoir formé le transparent Pt-In₂ O₃ couche. La figure 1b montre la plate-forme FET proposée dans nos travaux précédents [28, 29]. Il a quatre électrodes, y compris les électrodes CG, drain (D), source (S) et corps. Pour protéger la région active de la plate-forme FET comme indiqué sur la figure 1a, un FG étendu a été adopté, qui s'alignait avec le CG dans une direction horizontale. Des structures interdigitées des deux grilles ont été utilisées pour un bon couplage capacitif entre elles. De plus, une passivation SU-8 a également été réalisée pour exposer uniquement la région de détection comme indiqué sur la figure 1b et les plots de contact d'électrode. Les figures 1 c et d sont des vues schématiques en coupe transversale le long et perpendiculairement au canal du FET, qui se trouvent respectivement le long de la ligne A-A' et de la ligne B-B' sur la figure 1b. La longueur et la largeur du canal sont respectivement de 2 m et 2,4  μm. Les principales étapes de fabrication ont été décrites comme suit. Dans ce travail, p Les plates-formes MOSFET ont été principalement fabriquées car elles ont un bruit 1/f inférieur à celui du n MOSFET [30]. Tout d'abord, un oxyde de champ de 550 nm d'épaisseur a été développé pour l'isolement des régions actives par le processus d'oxydation locale du silicium (LOCOS). Un canal enterré du FET a été formé par implantation ionique, et un oxyde de grille de 10 nm d'épaisseur a été développé par un processus d'oxydation à sec à 800°C. Ensuite, une couche de poly-Si n+ dopée in situ à 350 nm a été déposée et modelée pour servir de FG. Les régions de source et de drain p+ fortement dopées ont été formées par un processus d'implantation ionique. Pour empêcher la FG et le canal des molécules indésirables (par exemple, H₂ O) et des pièges à charge, une couche de passivation ONO constituée de SiO₂ (10 nm)/Si₃ N₄ (20 nm)/SiO₂ (10 nm) s'est formé sur l'ensemble de la plaquette. Après avoir défini les trous de contact, des couches empilées de Cr (30 nm)/Au (50  nm) ont été déposées consécutivement et modelées pour servir d'électrodes CG, D, S et corporelles du FET. A noter que les électrodes des capteurs de type résistif ont également été fabriquées simultanément. Enfin, une couche de passivation SU-8 formée par revêtement par centrifugation a été modelée sur le dessus des plates-formes par un processus de lithographie pour exposer uniquement la zone FG-CG interdigitée de la plate-forme FET (la région de détection de la figure 1a), la zone d'électrode interdigitée de la plate-forme de résistance, et tous les plots pour les contacts d'électrode.

Les capteurs de gaz de type résistif et de type FET avec Pt-In₂ imprimé à jet d'encre O₃ nanoparticules. un Image SEM de la plate-forme de capteurs de type résistif. L'encart montre des électrodes agrandies après la formation du Pt-In₂ O₃ couche de détection. b Image SEM du capteur de type FET avec un FG aligné avec un CG horizontalement. c La vue en coupe schématique le long de la ligne A-A' dans b . d La vue en coupe schématique le long de la ligne B-B' dans b . La longueur et la largeur du canal sont respectivement de 2 μm et 2,4 μm

Matériaux

Dans₂ O₃ nanopoudres (≤ 100 nm de diamètre), éthanol (99%), 8-Wt% H₂ PtCl₆ (en H₂ O) et de l'eau déminéralisée (DI) ont été achetées auprès de Sigma-Aldrich (États-Unis) pour la préparation du matériel de détection. Tous les produits chimiques contenus dans cet article ont été utilisés sans autre purification.

Dépôt de matériel de détection

Le Pt-In₂ O₃ le matériau de détection a été formé par un processus d'impression à jet d'encre. Premièrement, dans₂ O₃ les nanopoudres ont été dissoutes dans de l'éthanol et bien agitées pour obtenir une solution uniforme. Le 8-Wt% H₂ PtCl₆ (en H₂ O) la solution a été encore diluée par de l'eau DI à la concentration souhaitée, puis mélangée avec l'In₂ O₃ solution ensemble pour servir d'encre précurseur. L'encre telle que préparée a été imprimée sur les deux types de plates-formes à l'aide d'une imprimante à jet d'encre (Omni Jet 100), suivie d'un processus de recuit de 2 heures à 300 °C dans l'air pour évaporer complètement le solvant de la couche de détection imprimée. Le % en poids de Pt dans la couche de détection a été fixé à 10 % en poids pour se concentrer principalement sur l'analyse des effets d'adsorption de vapeur d'eau.

Configurations de mesure

La figure 2 montre les configurations de mesure utilisées dans ce travail. Sur la figure 2, des échantillons de gaz humides ont été préparés en mélangeant de l'air sec et de l'air humide préparé en injectant de l'air sec à travers un barboteur, dans la chambre de mélange. Le débit total de l'échantillon d'air humide a été fixé à 400  sccm, et l'humidité relative a été déterminée en équilibrant les débits d'air sec et humide à travers un programmateur de débit massique multicanal et calibré par un calibrateur d'humidité. Un gaz de référence (air sec) avec un débit de 400 µsccm a également été utilisé. Au cours du test de détection d'humidité dynamique, l'air sec de référence et l'échantillon d'air humide ont été soufflés alternativement vers les capteurs. Toutes les caractéristiques de détection des capteurs ont été testées à 25°C (température ambiante). Les mesures électriques ont été effectuées à l'aide d'un Agilent B1500A.

Configurations de mesure. Toutes les caractéristiques des capteurs ont été testées à 25°C (température ambiante)

Résultats et discussion

Premièrement, les caractéristiques I-V de base du Pt-In₂ O₃ des capteurs de type résistif et de type FET ont été mesurés et tracés sur les figures 3 a et b, respectivement. La courbe I-V à double balayage de la résistance illustrée à la Fig. 3a indique un comportement de contact ohmique du Pt-In₂ O₃ film aux électrodes dans les capteurs de type résistif et de type FET. Sur la figure 3b, le DC I-V à double balayage et le I-V pulsé (PIV) du capteur de type FET du positif au négatif et inversement ont été tracés ensemble à des fins de comparaison. L'encart est le schéma d'impulsion utilisé pour la mesure PIV. Dans les résultats DC I-V, une hystérésis peut être observée, qui est induite par le piégeage de charge dans le matériau de détection et à l'interface entre le matériau de détection et les piles de passivation ONO. Dans l'environnement de travail traditionnel des capteurs de type FET, des polarisations CC sont généralement appliquées aux électrodes pour tracer le signal de détection de courant. Cependant, en raison du piégeage de charge mentionné à l'intérieur de l'appareil, le courant du capteur FET peut dériver considérablement au fil du temps, ce qui perturbe la ligne de base actuelle et dégrade la précision. En revanche, dans le PIV du capteur d'humidité FET proposé, l'hystérésis a été restreinte en utilisant une polarisation de grille pulsée. Sur la base de ces résultats, afin d'obtenir des signaux de détection fiables et stables lors de la mesure des propriétés de détection transitoires du capteur de type FET, une méthode de mesure pulsée a été adoptée [29, 31] qui est illustrée sur la figure 4a.

Propriétés électriques de base du type résistif et du type FET Pt-In₂ O₃ capteurs à T =25°C. un Courbe I-V à double balayage du capteur de type résistif. Les résultats des balayages de tension directe et inverse se chevauchent. b Courbes à double balayage DC et I-V pulsé (PIV) du capteur de type FET. L'encart indique le schéma d'impulsion utilisé pour la mesure PIV

Performances de détection de deux types de capteurs pour 9,4 % HR. un Schéma du capteur de type FET et du schéma d'impulsion utilisé pour la mesure du capteur de type FET dans ce travail. b |Je _D | de capteur de type FET basé sur p Le MOSFET a manifestement diminué lorsque l'HR a augmenté de 3,3 à 9,4 %. Le capteur a été soufflé avec de l'air humide pendant 100 s d'environ 70 à 170 s. c Mesure transitoire CC du capteur de type résistif et aucune réponse n'a été observée du capteur de type résistif pour 9,4 % HR

La figure 4a montre le schéma d'impulsion et la stratégie de mise en œuvre de la méthode de mesure pulsée pour le capteur d'humidité de type FET. Le côté gauche de la figure 4a est le schéma du capteur de type FET, et des polarisations pulsées ont été appliquées à ses électrodes CG et D par deux générateurs de formes d'onde d'Agilent B1500A. Le temps d'activation (largeur d'impulsion) t _sur et hors heure t _désactivé dans une période d'impulsion ont été fixées à 20 μs et 1 s, respectivement. Pendant le temps d'arrêt t _désactivé , toutes les électrodes CG, D et S du FET étaient mises à la terre et aucun courant de drain (I _D ) a été lu. Pendant l'heure t _sur , les tensions de lecture CG et D appropriées (V _rCG et V _rDS ) ont été appliqués de manière synchrone pour collecter I _D échantillons. Les figures 4 b et c montrent les comportements de détection des capteurs de type FET et de type résistif, respectivement, lors de l'exposition à 9,4 % d'humidité relative (HR) pendant 100 s. A noter que, pour le capteur de type résistif, seules des tensions continues constantes ont été adoptées. Le Pt-In₂ O₃ Le capteur de type résistif, qui reflète les changements de résistance du matériau de détection, n'était pas sensible à l'augmentation de l'HR de 3,3 % (air sec) à 9,4 %. Cependant, le courant de drain absolu |I _D | du p Le capteur MOSFET a nettement diminué avec l'augmentation de l'humidité relative et est revenu à la ligne de base d'origine en environ 400 s pendant la période de récupération du capteur. Étant donné que le mécanisme de détection du capteur de type FET est le changement de fonction de travail de Pt-In₂ O₃ causé par l'adsorption de molécules d'eau, les résultats de mesure indiquent que le travail de sortie du matériau de détection est plus sensible au changement d'HR par rapport à la résistance. Des explications détaillées de ce comportement de détection et la raison de la différence de sensibilité à l'humidité entre les deux plates-formes ont été abordées plus loin dans cet article.

Ensuite, la réponse dynamique du capteur de type FET à différents niveaux d'HR (7,6 %, 9,4 %, 11,4 %, 13,4 %, 15,5 % et 17,8 %) a été mesurée et est présentée sur la figure 5a. La réponse du capteur de type FET notée S _RH a été exprimé par l'équation. (1) [32], où I _{D_D} et Je _{D_H} sont respectivement le courant de drain d'origine dans l'air sec et le courant dans un environnement humide à un certain niveau d'humidité relative.

Détection d'humidité à l'aide du capteur de type FET proposé. un Mesure de détection d'humidité transitoire à T =25°C. HR =3,3 %, 7,6 %, 9,4 %, 11,4 %, 13,4 %, 15,5 % et 17,8 %. b S _RH comme paramètre de RH dans une plage de 3,3 à 17,8%. c Variations de t _res et t _rec du capteur de type FET avec niveaux RH

La figure 5b trace le S _RH en fonction de l'HR allant de 3,3 (air sec) à environ 18 %. Le S _RH tend à être proportionnelle à l'HR dans cette plage. Notez la réponse dynamique du résistif Pt-In₂ O₃ capteur à HR a également été mesuré, mais aucun changement de résistance du matériau de détection n'a été observé (de 3,3 à 18 % HR). Le temps de réponse t _res et temps de récupération t _rec sont définis comme le temps nécessaire pour que le courant passe à 90 % de sa valeur finale [33]. La figure 5c présente les variations de t _res et t _rec du capteur de type FET avec une HR de 3,3 à 18 %. Le t _res réduit légèrement avec l'augmentation de RH, et tous les t _res Les s correspondant aux différentes valeurs d'HR sont inférieurs à 60 µs. En revanche, l'augmentation de RH a l'effet inverse sur le t _rec du capteur. D'après les résultats, le capteur d'humidité de type FET proposé a des réponses très rapides et élevées aux faibles niveaux d'HR à température ambiante.

Expliquer le mécanisme de détection d'humidité du Pt-In₂ O₃ Capteur de type FET étudié dans cet article en dessous d'environ 18% HR, l'adsorption schématique de la molécule d'eau et les diagrammes de bande d'énergie associés près de l'interface entre le piquet ONO et le matériau de détection ont été construits comme le montre la figure 6. La figure 6a illustre divers types d'adsorptions de molécules d'eau à la surface de Pt-In₂ O₃ particules. Avec l'action catalytique du Pt, les molécules d'eau sont encouragées à réagir avec des espèces d'oxygène pré-adsorbées (\( {\mathrm{O}}_{\mathrm{ad}}^{-} \)) produisant des groupes hydroxyle (-OH ) à la surface de In₂ O₃ comme le montre l'éq. (2) [34].

Adsorption schématique des molécules d'eau et diagrammes de bandes d'énergie associés. un Couches de chimisorption et physisorption de molécules d'eau sur Pt-In₂ O₃ matériel de détection. b Le diagramme de bande d'énergie près de l'interface entre la pile ONO et la couche de détection avant la détection RH. Il a été supposé être à un état de bande plat. c Le diagramme de bande d'énergie après détection d'HR. Les dipôles à l'interface diminuent le travail de sortie du matériau de détection

Ces hydroxyles partent à la surface du matériau de détection et composent la première couche de chimisorption car il est difficile de désorber étroitement les ions chimisorbés à température ambiante [35]. Ensuite, lors des tests de détection, avec l'augmentation du niveau d'humidité relative, davantage de molécules d'eau commencent à s'adsorber sur les hydroxyles par le biais de doubles liaisons hydrogène et composent la deuxième couche d'adsorption, qui est la première couche de physisorption n'ayant pratiquement pas d'ions mobiles à l'intérieur. Lorsque le niveau d'HR augmente encore, davantage de couches s'accumulent après que la première couche de physisorption ait rempli la surface du matériau de détection, comme le montre la figure 6a, c'est-à-dire les couches de multi-physisorption. D'après les littératures [23], l'impédance de In₂ O₃ commence à diminuer jusqu'à ce que l'HR atteigne plus d'environ 54 %. À de faibles niveaux d'HR, seule la première couche de physisorption est formée, où il n'y a pas de protons mobiles contribuant à la conduction électrique. Après cela, des couches de multi-physisorption sont formées par une simple liaison hydrogène, où les protons mobiles (H ⁺ ) sera généré par l'ionisation sous champ électrique. Ces protons sautent entre les molécules d'eau adsorbées, induisant une conductivité plus élevée du matériau de détection, c'est-à-dire le mécanisme de Grotthuss [27, 36, 37, 38]. Dans cet article, aucun changement actuel du Pt-In₂ O₃ Un capteur de type résistif a été observé, ce qui démontre que des groupes -OH ont recouvert la surface du matériau de détection et que seules des adsorptions physiques de molécules d'eau se sont produites lorsque l'HR a augmenté pendant les mesures. Par conséquent, le Pt-In₂ O₃ Le capteur de type résistif a montré une faible sensibilité aux incréments d'HR inférieurs à 18 %.

Dans le cas des capteurs de type FET, le mécanisme de détection correspond aux modifications du travail de sortie du matériau de détection, qui est différent des capteurs de type résistif. D'après les résultats du capteur de type résistif, dans les conditions des niveaux d'HR mesurés dans cet article, il n'y a pas de transfert d'électrons entre le matériau de détection et les molécules d'eau dans les couches de physisorption. Cependant, ces molécules d'eau adsorbées peuvent créer des dipôles à la surface de In₂ O₃ particules pointant loin du matériau de détection (Fig. 6a). Les figures 6 b et c montrent le diagramme des bandes d'énergie de l'In₂ O₃ près de l'interface entre la couche de détection et la pile ONO avant et après la détection d'humidité, qui illustrent l'effet des dipôles. Du point de vue des bandes d'énergie, les hydroxyles chimisorbés ont déjà existé à la surface de l'In₂ O₃ avant le test, et nous supposons qu'il est à l'état de bande plate avant la détection d'humidité pour plus de commodité (Fig. 6b). Le E _VAC , E _C , E _F , et E _V dans les diagrammes désignent respectivement l'énergie du vide, la bande de conduction, la bande de valence et le niveau de Fermi. La différence entre le E _VAC et E _F avant les tests de détection, c'est-à-dire la fonction de travail, de In₂ O₃ à l'interface entre la couche de détection et la pile ONO, est défini comme Φ _S1 . Après la physisorption des molécules d'eau, les dipôles formés à l'interface réduisent l'affinité électronique et entraînent la diminution uniforme du travail de sortie de Φ _S1 à Φ _S2 . La différence entre Φ _S1 et Φ _S2 est noté ΔΦ comme le montre la figure 6c. Il n'y a pratiquement pas de transfert d'électrons des molécules d'eau physisorbées vers In₂ O₃ . Cependant, le ΔΦ peut générer une accumulation d'électrons dans le corps du FET près de l'interface entre l'oxyde de grille et le corps, donc le |I _D | de p MOSFET diminue. En d'autres termes, même s'il n'y a pas de changement dans la résistance de Pt-In₂ O₃ couche, les dipôles formés par les molécules d'eau adsorbées dans les couches de physisorption peuvent régler le travail de sortie du matériau de détection et finalement induire les changements de courant de drain du capteur de type FET.

Conclusions

En résumé, un capteur de type FET avec Pt-In₂ imprimé à jet d'encre O₃ Les nanoparticules ont été étudiées pour une détection de faible humidité relative allant de 3,3 à 18 % à température ambiante. Le Pt-In₂ O₃ un capteur de type résistif fabriqué sur la même plaquette de silicium n'était pas sensible aux changements d'humidité à de faibles niveaux d'HR. En revanche, le capteur de type FET a présenté une réponse rapide et excellente à l'humidité. Le principe de ce phénomène a été expliqué par la théorie des bandes d'énergie et les comportements d'adsorption des molécules d'eau sur le matériau de détection. Étant donné que seules des couches de physisorption ont été générées, aucun transfert d'électrons ne s'est produit pour contribuer à la réduction de la résistance du capteur de type résistif, tandis que les molécules d'eau physisorbées ont formé des dipôles qui peuvent modifier l'affinité des électrons et ont entraîné une augmentation du travail de sortie du matériau de détection. . Par conséquent, le Pt-In₂ de type FET proposé O₃ capteur d'humidité est prometteur dans les applications de détection de faible taux d'humidité.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

Pt-In₂ O₃ :

In₂ dopé au Pt O₃ nanoparticules

FET :

Transistor à effet de champ

RH :

Humidité relative

SAW :

Ondes acoustiques de surface

QCM :

Microbalance à cristal de quartz

CA :

Courant alternatif

DC :

Courant continu

FG :

Portail flottant

CG :

Portail de contrôle

SU-8 :

Sukhoi Su-8

MOSFET :

Transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

LOCOS :

Oxydation locale du silicium

ONO :

Pile oxyde-nitrure-oxyde

D :

Vidange

S :

Source

SEM :

Microscope électronique à balayage

PIV :

Impulsion I-V