一种半导体湿度传感器及其操作方法与流程

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种通过颜色显示湿度的半导体湿度传感器及其操作方法。

背景技术：

湿度传感器用于对环境湿度进行测量，在气象监测、工农业生产以及医疗诊断等国计民生领域应用广泛。相比于传统的湿度传感器(如干湿球)，半导体湿度传感器具有体积小、一致性好、易于集成、灵敏度高等特点；相比于mems湿度传感器，半导体湿度传感器没有可动结构，所以制作工艺更加简单、成本更加低廉。因此，半导体湿度传感器是该领域发展的主流方向之一。

半导体湿度传感器分为无源和有源两种类型。典型的有源半导体湿度传感器呈底栅型场效应晶体管结构，其工作原理为：在固定偏置的条件下，半导体层在吸湿后它的载流子迁移率发生改变，进而引起晶体管的输出电流发生变化，从而实现将环境湿度信息转化为电信号。然而，为了最终实现环境湿度的测量，该传感器还需进一步使用接口电路进行电信号的检测和显示(或读出)。接口电路的使用一方面有助于提高传感器的测量精度；但另一方面，却也增加了传感器的设计与制备的难度和成本，并且还增加了传感器的体积和功耗。因此，针对一些对传感器成本和功耗有严格要求而对其精度无高要求的领域(如智能手机等消费类电子产品)，上述方案越来越难以满足技术发展的需求。因此，如何在不增加传感器成本与功耗的前提下直接快速获得当前环境的湿度信息是急需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种半导体湿度显示器及其操作方法，通过传感器单元将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示湿度信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的湿度信息。

为了实现上述技术目的，一方面本发明实施例采用如下技术方案：

一种半导体湿度传感器，该半导体湿度传感器包括：设置在基底上的传感器单元与电致变色单元，传感器单元包括依次设置于基底上的栅极、栅氧化层、半导体层、设置于半导体层上相对两侧的源极与漏极，源极分别与电致变色单元的第一电极和开关的一端相连，漏极与电源线相连，开关的另一端与电源的一端相连，电源的另一端与电致变色单元的第二电极分别与地线相连，传感器单元将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示湿度信息。

进一步的，电致变色单元包括自下而上依次设置在基底上的第一电极、离子存储层、电解质层、电致变色层、第二电极。

进一步的，电致变色层的厚度为50-500nm；电致变色层的材料为wo3、v2o5、nio、聚苯胺或聚噻吩中的任意一种。

进一步的，第一电极为对电极且第二电极为工作电极；或第一电极为工作电极且第二电极为对电极。

进一步的，第二电极为透明电极，透明电极包括氧化铟锡、掺铝氧化锌、掺氟氧化锡中的任意一种。

进一步的，半导体层的上方设置有吸湿层，吸湿层包括吸湿材料。

为了实现上述技术目的，另一方面本发明实施例还采用如下技术方案：

一种半导体湿度传感器的操作方法，采用上述任意一项的半导体湿度传感器，通过电致变色单元中电致变色层的颜色变化显示湿度信息，包括如下步骤：

s11、重置阶段，给传感器单元的栅极施加负偏压使传感器单元处于断开状态，同时闭合开关，在电源的作用下电致变色单元的电致变色层在第一预设时间内发生反应，电致变色层的颜色重置到初始状态；

s12、显示阶段，断开开关，同时给传感器单元的栅极施加正偏压使传感器单元处于导通状态，半导体层吸湿后导致源极与漏极之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层发生反应，电致变色层的颜色从初始状态变化到显示状态，电致变色层的显示状态显示当前湿度信息。

进一步的，步骤s11还包括：第一预设时间不小于电致变色层的颜色完全恢复到初始状态所需的时间。

进一步的，步骤s12还包括：第二预设时间不小于电致变色层的颜色维持在显示状态所需的时间。

进一步的，第一预设时间与第二预设时间为1s-100s。

相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明提出了一种半导体湿度传感器及其操作方法，该半导体湿度传感器包括：设置在基底上的传感器单元与电致变色单元，传感器单元包括依次设置于基底上的栅极、栅氧化层、半导体层、设置于半导体层上相对两侧的源极与漏极，源极分别与电致变色单元的第一电极和开关的一端相连，漏极与电源线相连，开关的另一端与电源的一端相连，电源的另一端与电致变色单元的第二电极分别与地线相连，传感器单元吸湿后将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示湿度信息。上述半导体湿度传感器通过传感器单元将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示湿度信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的湿度信息，具有设计和制备简单、成本低、体积小、功耗低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种半导体湿度传感器的示意图；

图2为本发明实施例提出的一种半导体湿度传感器的传感器单元的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提出的一种半导体湿度传感器的电致变色单元的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提出的一种半导体湿度传感器的操作方法的流程图；

图5为本发明实施例提出的又一种半导体湿度传感器的操作方法的流程图；

其中：2、传感器单元；3、电致变色单元；4、开关；5、电源；10、基底；21、栅极；22、栅氧化层；23、半导体层；24、源极；25、漏极；31、第一电极；32、离子存储层；33、电解质层；34、电致变色层；35、第二电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本发明实施例提出了一种半导体湿度传感器，该半导体湿度传感器包括：设置在基底上的传感器单元2与电致变色单元3，传感器单元2包括依次设置于基底10上的栅极21、栅氧化层22、半导体层23、设置于半导体层23上相对两侧的源极24与漏极25，源极24分别与电致变色单元3的第一电极31和开关4的一端相连，漏极25与电源线相连，开关4的另一端与电源5的一端相连，电源5的另一端与电致变色单元3的第二电极35分别与地线相连，传感器单元2吸湿后将湿度信息转化为电信号，电致变色单元3接收电信号并通过颜色变化显示湿度信息。

其中，传感器单元2为有源型半导体传感器类型，其包括依次设置于基底10上的栅极21、栅氧化层22、半导体层23、设置于半导体层23上相对两侧的源极24与漏极25。在固定偏重的条件下，半导体层23受到外界环境影响而吸湿后会导致载流子迁移率发生改变，进而引起晶体管的输出电流发生变化并输出相应电信号，实现将环境湿度信息转化为电信号。

电致变色单元3接收电信号并通过在该电信号的驱动下发生氧化还原反应而产生对光谱吸收能带的变化，进而改变自身颜色(如从透明到非透明，或者从非透明到透明)，通过颜色变化来显示湿度信息。

优选的，传感器单元2与电致变色单元3设置在同一基底10上有助于提高集成度、减小体积，从而满足一些对传感器集成度和体积有严格要求的领域，例如智能手机等消费类电子产品。

具体的，基底10为柔性或刚性的绝缘基底，具体的，基底材质包括玻璃、覆盖绝缘层的硅片、塑料等。

优选的，传感器单元2的漏极25与电源线vdd相连，传感器单元2的源极24通过电致变色单元3与地线gnd相连，从而实现在重置阶段给传感器单元的栅极施加负偏压使传感器单元处于断开状态；或在显示阶段给传感器单元的栅极施加正偏压使传感器单元处于导通状态。

优选的，开关4为无极性开关，在此不进行进一步限定。

优选的，电源5为恒定电压源或恒定电流源，以为电致变色单元提供恒定电压使电致变色层发生氧化(或还原)反应，使得电致变色层的颜色恢复初始状态。

上述半导体湿度传感器通过传感器单元将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示湿度信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的湿度信息，具有设计和制备简单、成本低、体积小、功耗低等优点。

优选的，如图2所示，传感器单元2为有源型半导体湿度传感器单元，呈底栅型场效应晶体管结构，包括依次设置于基底10上的栅极21、栅氧化层22、半导体层23、设置于半导体层23上相对两侧的源极24与漏极25。底栅型结构可保证半导体层与环境湿度充分接触，以提高传感器的灵敏度和响应速度。

优选的，半导体层23的上方设置有吸湿层，以进一步提高传感器单元2对环境湿度的灵敏度，。

优选的，吸湿层包括吸湿材料，吸湿材料包括聚酰亚胺、氧化石墨烯等。

优选的，半导体层23可以是有机或者无机半导体材料。具体的，半导体层23是p型或者n型半导体材料，包括zno、ingazno、并五苯等。

优选的，如图3所示，电致变色单元3包括自下而上依次设置在基底10上的第一电极31、离子存储层32、电解质层33、电致变色层34、第二电极35。电致变色单元3接收电信号并通过在该电信号的驱动下发生氧化还原反应而产生对光谱吸收能带的变化，进而改变自身颜色(如从透明到非透明，或者从非透明到透明)，通过颜色变化来显示湿度信息。

优选的，电致变色层34的厚度为50nm-500nm，如果电致变色层34的厚度太薄，则颜色变化不显著，导致肉眼难以分辨颜色变化；如果电致变色层34的厚度太厚，则颜色变化或响应的时间过长，导致本发明的传感器难以在实际中应用。电致变色层34的材料包括wo3、v2o5、nio、聚苯胺或聚噻吩中的任意一种。

优选的，第一电极31为对电极且第二电极35为工作电极；或第一电极31为工作电极且第二电极35为对电极。

优选的，第二电极35为透明电极，其设置在靠近人眼观察的一侧，以便于人眼直接快速的观察到颜色变化。具体的透明电极包括氧化铟锡(ito)、掺铝氧化锌(azo)、掺氟氧化锡(fto)中的任意一种。

另一方面，如图4所示，本发明实施例提出了一种半导体湿度传感器的操作方法，半导体湿度传感器为上述任意一项的半导体湿度传感器，通过电致变色单元3中电致变色层34的颜色变化显示湿度信息，以半导体层23为n型为例(以半导体层23为p型的原理类似)，具体包括如下步骤：

s11、重置阶段，给传感器单元2的栅极21施加负偏压使传感器单元2处于断开状态，同时闭合开关4，在电源5的作用下电致变色单元3的电致变色层34在第一预设时间内发生反应，电致变色层34的颜色重置到初始状态；

具体的，在电源5的作用下，电致变色单元3中的电致变色层34发生还原(或氧化)反应，并导致电致变色层34褪色(或着色)，电致变色层34的颜色被重置到初始状态。

s12、显示阶段，断开开关4，同时给传感器单元2的栅极21施加正偏压使传感器单元处于导通状态，半导体层23吸湿后导致源极24与漏极25之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元3接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层34发生反应，电致变色层34的颜色从初始状态变化到显示状态，电致变色层的显示状态显示当前湿度信息。

具体的，传感器单元2处于导通状态后，半导体层23受外界环境湿度影吸湿后其上载流子迁移率发生变化，导致源极24与漏极25之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元3接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层34发生氧化(或还原)反应，并引起电致变色层34发生着色(或褪色)，从而导致电致变色层34的颜色改变。半导体层23吸湿的程度不同，源极24与漏极25间输出电流的大小也不同，相应地，电致变色层34颜色变化的程度也不同，因此，可以根据电致变色层34的颜色指示当前环境的湿度信息，

上述半导体湿度传感器的操作方法，通过传感器单元将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示湿度信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的湿度信息，具有设计和制备简单、成本低、体积小、功耗低等优点。

优选的，如图5所示，在上述实施例的基础上，本发明提出的另一实施例中半导体湿度传感器的操作方法，包括如下步骤：

s21、重置阶段，给传感器单元2的栅极21施加负偏压使传感器单元2处于断开状态，同时闭合开关4，在电源5的作用下电致变色单元3的电致变色层34在第一预设时间内发生反应，电致变色层34的颜色重置到初始状态，第一预设时间不小于电致变色层34的颜色完全恢复到初始状态所需的时间；

具体的，该阶段持续的时间不小于电致变色层34的颜色完全恢复到初始状态所需的时间。第一预设时间具体时间取决于电致变色单元所使用的材料和结构。例如，对于相同的电致变色层材料，电致变色层的厚度越薄，则颜色变化越快，相应的第一预设时间也越短；对于相同厚度的电致变色层，有机电致变色层材料(如聚苯胺)通常比无机电致变色层材料(如wo3)的颜色变化快，相应的第一预设时间也越短。

优选的，第一预设时间为1s-100s。对于wo3、v2o5、nio、聚苯胺、聚噻吩等电致变色层材料，当其厚度在50nm–500nm时典型的颜色变化时间为1s-100s。这样既可保证电致变色层的颜色变化肉眼可以分辨，又使得颜色变化所需时间在合理范围，满足实际应用需求。

s22、显示阶段，断开开关4，同时给传感器单元2的栅极21施加正偏压使传感器单元处于导通状态，半导体层23吸湿后导致源极24与漏极25之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元3接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层34发生反应，电致变色层34的颜色从初始状态变化到显示状态，电致变色层34的显示状态显示当前湿度信息，第二预设时间不小于电致变色层34的颜色维持在显示状态所需的时间。

具体的，该阶段持续的时间应不小于电致变色层34反应达到饱和所需的时间，以确保电致变色层34的颜色在特定湿度作用下不再发生改变。第二预设时间具体时间取决于电致变色单元所使用的材料和结构。例如，对于相同的电致变色层材料，电致变色层的厚度越薄，则颜色变化越快，相应的第二预设时间也越短；对于相同厚度的电致变色层，有机电致变色层材料(如聚苯胺)通常比无机电致变色层材料(如wo3)的颜色变化快，相应的第二预设时间也越短。

优选的，第二预设时间为1s-100s，这样设置的理由为：对于wo3、v2o5、nio、聚苯胺、聚噻吩等电致变色层材料，当其厚度在50nm–500nm时典型的颜色变化时间为1s-100s。这样既可保证电致变色层的颜色变化肉眼可以分辨，又使得颜色变化所需时间在合理范围，满足实际应用需求。

综上，本发明提出了一种半导体湿度传感器及其操作方法，该半导体湿度传感器包括：设置在基底上的传感器单元与电致变色单元，传感器单元包括依次设置于基底上的栅极、栅氧化层、半导体层、设置于半导体层上相对两侧的源极与漏极，源极分别与电致变色单元的第一电极和开关的一端相连，漏极与电源线相连，开关的另一端与电源的一端相连，电源的另一端与电致变色单元的第二电极分别与地线相连，传感器单元吸湿后将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示湿度信息。上述半导体湿度传感器通过传感器单元将湿度信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示湿度信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的湿度信息，具有设计和制备简单、成本低、体积小、功耗低等优点。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。