基于磁控溅射法制备的六方氮化硼薄膜的高性能湿度传感器

《IEEE Sensors Journal》：High-Performance Humidity Sensors Based on Hexagonal Boron Nitride Films Prepared by Magnetron Sputtering

六方氮化硼（hBN）薄膜经磁控溅射制备，通过调控基板温度优化表面粗糙度和比表面积，在600℃时实现灵敏度＞10Ω/%RH、响应值67.31的高性能湿度传感器，响应/恢复时间分别为13.8s和4.7s，具备宽湿度范围重复性（＜3.53%滞后）及高温稳定性，可检测呼吸周期电流变化用于监测。

　　

摘要：

湿度检测已经引起了科学界的广泛关注。六方氮化硼（hBN）由于其阻抗随相对湿度（RH）显著变化以及出色的化学稳定性，成为理想的湿度传感材料。在这项研究中，我们利用磁控溅射技术制备了hBN薄膜，并基于这些薄膜制作了湿度传感器。通过控制磁控溅射过程中的基底温度来调节hBN薄膜的粗糙度和表面积，从而优化了传感器的性能。在600°C下沉积的hBN薄膜对相对湿度具有极高的灵敏度（灵敏度为10? Ω/%RH），响应值为67.31（响应值定义为（Z0?Z1）/Z1，其中Z0和Z1分别代表11%和95%相对湿度下的阻抗值），响应时间和恢复时间分别为13.8秒和4.7秒。在连续测试中，优化后的hBN传感器在宽相对湿度范围内表现出高重复性，湿度滞后现象极小（约3.53% RH），并且在包括高湿度、长时间使用以及高温条件下的稳定性与可靠性都非常出色。此外，该传感器能够通过电流变化检测到人体呼吸的整个循环过程，因此在呼吸监测领域具有实际应用价值。

引言

传感技术的发展促进了传感器的广泛应用[1][2]，它们已成为我们生活中不可或缺的组成部分。由于湿度检测在多个领域具有关键应用[3]，因此在过去几十年里，这一领域受到了大量研究关注。通过优化传感器系统实现对相对湿度（RH）的精确监测和调节，在化学加工[4]、农业生产[5]、医学诊断[6]和气象预报[7]等方面发挥着重要作用。许多研究工作[8]致力于提升湿度传感器的性能，重点关注灵敏度、响应/恢复时间、重复性、检测范围和极限、使用寿命以及环境选择性等关键性能参数。