CN101949878B - 一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，上层金属层为上电极，下层金属层为下电极，上、下金属层之间为感湿层，其特征在于所述上电极为栅状布置，所述感湿层以聚酰亚胺为感湿膜。制作方法是采用微电子工艺，经过：清洗并且氧化极片、蒸镀下电极、涂聚酰亚胺、亚胺化、溅射上电极、一次光刻、二次光刻、三次光刻及切片、压焊、封装等工艺过程制备而成。本发明选用一种新型的聚酰亚胺为感湿材料，吸湿和脱湿响应速度快；上下电极的结构更有利于快速检测湿敏膜中水浓度的细微变化；另外膜厚度的可控范围对快速响应也有贡献，本发明响应速度指标达到500ms。

Description

一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及湿度传感元件的应用研究，特别是用于燃料电池车的一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，本发明还包括该元件的制作方法。

背景技术

在燃料电池汽车发动机中气体湿度的测量非常重要，且要求较高，现有湿度传感器变送原理基于物质亲水机理，无法达到快速响应的要求，响应时间普遍较长，同时国内外相关领域对湿度传感器动态响应时间的研究较少，可参考的快速响应湿度传感器的资料也较少。国内文献报道的湿度传感器多采用金或铝作为电极材料，对湿度传感器的动态响应性能研究较少，湿度传感器的响应时间最快报道约10s左右，最慢约几分钟到几十分钟。国外文献报道的湿度传感器多采用金作为电极材料，对湿度传感器的动态响应性能研究不多，湿度传感器的响应时间最快报道约500ms(BCB)，但无产品，最慢约几十秒。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速响应的聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，本发明还提供该元件的制作方法。

本发明通过下述技术方案解决其技术问题：

一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，上层金属层为上电极，下层金属层为下电极，上、下金属层之间为感湿层，其特征在于所述上电极为栅状布置，所述感湿层以聚酰亚胺为感湿膜。

所述上电极和下电极的电极线宽为1～12μm。

所述的一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法是采用微电子工艺，按下述工艺过程制备：

a、清洗并且氧化极片；

b、蒸镀下电极：大面积依次溅射钼和铝(Mo-Al)或钼和铂(Mo-Pt)，其中Mo作为缓冲层，厚度为500～1500

电极总厚度为9000～15000

c、涂聚酰亚胺：在高速涂胶台涂布聚酰亚胺调节转速以控制介质层厚度；

d、亚胺化：在恒温箱分不同温度区段进行亚胺化；

e、溅射上电极：大面积溅射上电极，选择Mo-Al或Mo-Pt作为电极材料，其中Mo同样作为缓冲层，其厚度为500～1500

电极总厚度为9000～15000

f、一次光刻，刻蚀划片道：电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻蚀；

g、二次光刻，刻蚀上电极图形：采用湿法刻蚀获得上电极图形；

h、三次光刻，刻蚀下电极引线孔：采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线孔；

i、切片、压焊、封装：将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。

所述涂布聚酰亚胺的方法为：将聚酰亚胺酸溶液的浓度定为5～20％，用5～20％的聚酰亚胺酸溶液涂膜于上电极。

所述聚酰亚胺酸的合成工艺为：控制温度在20～50℃，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂，4，4-二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体的摩尔质量比为1∶0.8～1.3，控制聚酰亚胺酸溶液浓度在5～20％，在氮气保护下反应5～10小时，再加入占总反应物量5％的3，5-二氨基苯甲酸，再反应2～4小时，得到聚酰亚胺酸溶液。

所述亚胺化是将涂好聚酰亚胺酸溶液的感湿元件放在恒温箱中进行亚胺化，亚胺化的升温步骤为：

a、由室温升至100℃，并保持30min；

b、由100℃升至200℃，并保持30min；

c、由200℃升至300℃，并保持30min；

d、由300℃升至350℃，并保持60min。

本发明的高分子电容式湿敏元件的感湿机理是基于高分子湿敏介质吸附环境中气态水分子时，湿敏介质的介电常数将随之变化，湿敏元件电容与环境相对湿度关系可由下式表示：

Cx＝ε₀ε_uS/d

(1)

式中：C_Pu为湿敏元件在不同相对湿度下的电容量，pF；ε₀为真空介电常数；S为湿敏元件有效电极面积，mm²；d为高分子感湿膜厚度，mm；ε_u为相对湿度U％RH时高分子感湿膜的介电常数，可由Looyenga经验公式表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_u={\{\mathrm{\γ}({\mathrm{\ϵ}}_w^{1/3}-{\mathrm{\ϵ}}_p^{1/3})+{\mathrm{\ϵ}}_p^{1/3}\}}^3---\left(2\right)$

式中：ε_p为0％RH时感湿膜的介电常数；ε_w为水的介电常数；γ为U％RH时高分子单位质量吸附水分子容积份额。

高分子湿敏介质介电常数变化的程度和达到平衡的时间主要与吸湿和脱湿时水分子在其内部扩散过程及其达到平衡的时间有关。空气越接近饱和，其水蒸气平衡相对压力越大，湿敏介质就会吸附更多水分子，其介电常数就越大，则元件输出的电容值就越大，反之亦然。

本发明微型快速响应湿敏元件的结构为高分子平行板电容式，即三明治式，金属层(下电极)-感湿层-金属层(上电极)的三明治结构，其制作工艺与常规的硅平面工艺和CMOS工艺兼容。

本发明选用一种新型的聚酰亚胺为感湿材料，这种膜材料的最大特点是吸湿和脱湿响应速度快；上下电极的结构更有利于快速检测湿敏膜中水浓度的细微变化；另外膜厚度的可控范围对快速响应也有贡献，本发明的湿度传感器动态响应速度指标达到500ms。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

本发明是一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，即金属层(下电极)-感湿层-金属层(上电极)。感湿层2的上层金属层为上电极1，上电极1为栅状布置，感湿层2的下层金属层为下电极3。感湿层2以高分子湿敏介质聚酰亚胺为感湿膜，上电极1和下电极3的电极线宽为1～12μm。

本发明的微型快速响应湿敏元件的制作工艺流程为：

1)、清洗并且氧化极片；

2)、蒸镀下电极：大面积依次溅射Mo-Al或Mo-Pt，其中Mo作为缓冲层，厚度为500～1500

电极总厚度为9000～15000

3)、涂聚酰亚胺：在高速涂胶台涂布聚酰亚胺调节转速以控制介质层厚度；

4)、亚胺化：在恒温箱中分不同温度区段进行亚胺化；

5)、溅射上电极：大面积溅射上电极，选择Mo-Al或Mo-Pt作为电极材料，其中Mo同样作为缓冲层，其厚度为500～1500

电极总厚度为9000～15000

6)、一次光刻，刻蚀划片道：电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻蚀；

7)、二次光刻，刻蚀上电极图形：采用湿法刻蚀获得上电极图形；

8)、三次光刻，刻蚀下电极引线孔：采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线孔；

9)、切片、压焊、封装：将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。

其中：

涂布聚酰亚胺的方法为：将聚酰亚胺酸溶液的浓度定为5～20％，用5～20％的聚酰亚胺酸溶液涂膜上电极。

聚酰亚胺酸的合成工艺为：控制温度在20～50℃，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂，4，4-二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体的质量比为1∶0.8～1.3，控制聚酰亚胺酸溶液浓度在5～20％，在氮气保护下反应5～10小时，再加入占总反应物量5％的3，5-二氨基苯甲酸，再反应2～4小时，得到聚酰亚胺酸溶液。

亚胺化是将涂好聚酰亚胺酸溶液的感湿元件放在恒温箱中进行亚胺化，亚胺化的升温步骤为：

a、由室温升至100℃，并保持30min；

b、由100℃升至200℃，并保持30min；

c、由200℃升至300℃，并保持30min；

d、由300℃升至350℃，并保持60min。

下面结合实施例对本发明做进一步详细叙述：

实施例1

采用微电子工艺：电极宽度/间距1μm。

1)清洗并且氧化电极。

2)溅射下电极：大面积依次溅射Mo-Al，其中Mo作为缓冲层，厚度为500以增强Al电极与氧化层的粘合度，电极总厚度为9000

3)涂聚酰亚胺：

a、聚酰亚胺酸的合成：控制温度在20℃，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂，4，4-二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体质量分别为2.0g和1.6g，控制聚酰亚胺酸溶液浓度在5％，在氮气保护下反应5小时，再加入3，5-二氨基苯甲酸0.18g，再反应2小时，得到聚酰亚胺酸溶液。

b、涂布聚酰亚胺的方法为：将聚酰亚胺酸溶液的浓度定为5％，在高速涂胶台用5％的聚酰亚胺酸溶液将下电极涂膜，调节转速以控制介质层厚度。

4)亚胺化：在恒温箱中分不同温度区段进行亚胺化；将涂好聚酰亚胺酸溶液的感湿元件放在恒温箱中进行亚胺化，亚胺化的升温步骤为：

a、由室温升至100℃，并保持30min；

b、由100℃升至200℃，并保持30min；

c、由200℃升至300℃，并保持30min；

d、由300℃升至350℃，并保持60min。

5)溅射上电极：大面积溅射工艺制备上电极，选择Mo-Al作为电极材料，其中Mo同样作为缓冲层，其厚度为500

以增强Al电极与聚酰亚胺介质层的粘合度，电极总厚度约为9000

6)一次光刻，刻蚀划片道：目的是将同一硅片上的不同管芯分割开来。电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻蚀。

7)二次光刻，刻蚀上电极图形：采用湿法刻蚀获得上电极图形。

8)三次光刻，刻蚀下电极引线孔：采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线孔。

9)切片、压焊、封装：将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。

实施例2

采用微电子工艺：电极宽度/间距12μm。

1)清洗并且氧化电极。

2)溅射下电极：大面积依次溅射Mo-Pt，其中Mo作为缓冲层，厚度为1500

以增强Al电极与氧化层的粘合度，电极总厚度为15000

3)涂聚酰亚胺：

a、聚酰亚胺酸的合成：控制温度在50℃，以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂，4，4-二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体质量分别为2.0g和2.6g，控制聚酰亚胺酸溶液浓度在20％，在氮气保护下反应10小时，再加入占总反应物量0.23g的3，5-二氨基苯甲酸，再反应4小时，得到聚酰亚胺酸溶液。

b、涂布聚酰亚胺的方法为：将聚酰亚胺酸溶液的浓度定为20％，在高速涂胶台用20％的聚酰亚胺酸溶液将下电极涂膜，调节转速以控制介质层厚度。

4)亚胺化：在恒温箱中分不同温度区段进行亚胺化；将涂好聚酰亚胺酸溶液的感湿元件放在恒温箱中进行亚胺化，亚胺化的升温步骤为：

a、由室温升至100℃，并保持30min；

b、由100℃升至200℃，并保持30min；

c、由200℃升至300℃，并保持30min；

d、由300℃升至350℃，并保持60min。

5)溅射上电极：大面积溅射工艺制备上电极，Mo-Pt作为电极材料，其中Mo同样作为缓冲层，其厚度为1500

以增强Al电极与聚酰亚胺介质层的粘合度，电极总厚度为15000

6)一次光刻，刻蚀划片道：目的是将同一硅片上的不同管芯分割开来。电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻蚀。

7)二次光刻，刻蚀上电极图形：采用湿法刻蚀获得上电极图形。

8)三次光刻，刻蚀下电极引线孔：采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线孔。

9)切片、亚焊、封装：将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。

Claims (3)

1.一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，上层金属层为上电极(1)，下层金属层为下电极(3)，上、下金属层之间为感湿层(2)，其特征在于所述上电极(1)为栅状布置，且所述上电极(1)线宽为1～12μm；所述感湿层(2)的物质是在20～50℃合成的一种聚酰亚胺酸溶液在恒温箱中亚胺化所形成的聚酰亚胺；所述一种聚酰亚胺酸溶液获得方法是以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂，4，4-二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体的质量比为1∶0.8～1.3，控制聚酰亚胺酸溶液浓度在5～20％，在氮气保护下反应5～10小时，又加入占总反应物量5％的3，5-二氨基苯甲酸，再反应2～4小时。 

2.如权利要求1所述的一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法，其特征在于按下述工艺过程制备： 

a、清洗并且氧化极片； 

b、溅射下电极：大面积溅射钼铝合金Mo-Al或钼铂合金Mo-Pt，其中Mo作为缓冲层，厚度为500～1500电极总厚度为9000～15000

c、涂聚酰亚胺酸溶液：将浓度为5～20％聚酰亚胺酸溶液在高速涂胶台涂布于下电极，涂布厚度通过控制高速涂胶台转速实现；

d、亚胺化：将涂布聚酰亚胺酸溶液的感湿元件在恒温箱中分不同温度区段进行亚胺化； 

e、溅射上电极：大面积溅射上电极，选择Mo-Al或Mo-Pt作为电极材料，其中Mo同样作为缓冲层，其厚度为500～1500电极总厚度为9000～15000

f、一次光刻，刻蚀划片道：电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻蚀； 

g、二次光刻，刻蚀上电极图形：采用湿法刻蚀获得上电极图形； 

h、三次光刻，刻蚀下电极引线孔：采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线孔； 

i、切片、压焊、封装：将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。 

3.如权利要求2所述的一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法，其特征在于：所述亚胺化的升温步骤为：a、由室温升至100℃，并保持30min；b、由100℃升至200℃，并保持30min；c、由200℃升至300℃，并保持30min；d、由300℃升至350℃，并保持60min。 

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