CN102209892B - 改进的电容传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量湿气和湿度的电容传感器，以及一种用于制造该电容传感器的改进的工艺。用于测量湿气和湿度的具有多层电极的电容传感器的该制备工艺包括：在多层聚酰亚胺中沉积多层交叉电极；通过剥离工艺在所述电极的表面上设置多个沟槽；以及用负性光敏聚酰亚胺覆盖所述传感器。
Description
技术领域
本发明涉及用于测量湿气和湿度(humidity and moisture)的电容传感器及用于制造该改进的电容传感器的改进的工艺。
背景技术
湿气和湿度传感器是用于确定湿度含量的电子仪器。获知材料的湿度含量通常很重要。例如，土壤湿度对农业、造林、水文学、以及土木工程方面的活动十分重要。因而，精确、严格的测试或测量含量的手段将帮助用户间的土壤的湿度含量，并且能够获得优选的湿度含量。
鉴于获知材料的湿度含量的重要性，已经发展了各种技术来测量它。电容式湿气传感器建立在因诸如聚酰亚胺这样的有机材料的吸水性而导致介电常数的变化的基础上。
电容式湿气传感器通过对应于环境湿气测量元件的静电容量的变化而检测湿气。电容传感器典型地通过在衬底材料上沉积数层材料而制成。湿气能够基于聚合物材料的可逆吸水特性而测得。水吸入传感器结构在活性聚合物中引起多种物理变化。这些物理变化能够被转换成电信号，该电信号与聚合物中的水浓度相关，转而又与聚合物周围的空气中的相对湿气相关。聚合物薄膜已经被用作湿气敏感元件。
电容传感器基于设置在半导体衬底上的两个检测电极之间的电容的变化而检测湿气，该电容传感器在形成于半导体衬底的表面上的第一绝缘膜上具有两个彼此相对的检测电极。该检测电极被第二绝缘薄膜覆盖，并且其上进一步被湿度敏感薄膜覆盖。
美国专利6,445,565B1中公开了一种电容传感器，其用于利用具有敏感材料涂层(即，单聚酰亚胺层)单层交叉硅电极测量湿气和湿度。该传感器的表面用绝缘体覆盖。该传感器的局限性在于其吸水能力以及敏感度低。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种吸水性和敏感度得到改进的传感器及其制造工艺，来减轻上述缺陷。
根据本发明，多层交叉电极被设置成增大传感器的总电容和敏感度。优选地，铝层被用于层敷有诸如聚酰亚胺的绝缘层的电极。多个沟槽(trench)被设置在聚酰亚胺的表面上以增大吸水的总面积。第一交叉电极层和第二交叉电极层之间的侧壁被布置成垂直于这些层、并且彼此不重叠以允许较好的吸水。传感器的表面覆盖有负性光敏聚酰亚胺。为了制备本发明的传感器，使用诸如光敏聚酰亚胺这样的湿度敏感聚合物材料。
附图说明
参照附图仅通过示例的方式描述本发明。其中：
图1示出了本发明的具有多层电极的湿气和湿度传感器的一侧的横截面图；
图2示出了该传感器的俯视图；
图3(1-9)示出了该传感器的制备工艺。
具体实施方式
根据本发明，用于测量湿气和湿度的传感器包括多个交叉电极。电极布置在聚酰亚胺绝缘层平面中。如图1所示，传感器包括硅片衬底层(1)、二氧化硅层(2)、氮化硅层(3)、背面的铝层(4)、第一聚酰亚胺层(5)、第二聚酰亚胺层(6)、第三聚酰亚胺层(7)、第一交叉电极(8)、第二交叉电极(9)、引线结合区(10)、引线结合窗口(11)、位于上聚酰亚胺层上的沟槽(12)、以及位于第一和第二交叉电极之间中的侧壁(13)。沟槽和侧壁增大传感器的吸水性面积。
第一交叉电极(8)被布置在第二聚酰亚胺层(6)中，而第二交叉电极(9)被布置在第三聚酰亚胺层(7)中。多个沟槽(12)被设置在第三聚酰亚胺层(7)上以增大用于吸水的面积。位于第一交叉电极(8)和第二交叉电极(9)之间的侧壁(13)被布置成彼此垂直并且不重叠，以增大聚酰亚胺的吸水性。
图2示出了传感器的俯视图，显示了第一交叉电极(8)和第二交叉电极(9)在第二聚酰亚胺层(6)中的布置以及引线接合区的窗口(11)的布置。图1和图2示出了具有双层电极的传感器。该传感器能够被设计成具有多层电极。
湿气和湿度的测量建在立传感器一侧的绝缘和半绝缘材料的介电性能的基础上。
在制备工艺中，曝光、显影和烘焙时间被最优化。图3示出了使用了三层聚酰亚胺的传感器的制备工艺。下聚酰亚胺层被设置为使电极与衬底隔离。第二和第三(上)层起敏感材料的作用。用于引线结合的开口式窗口被设置在上层上。
该制备工艺中需要三个掩模。第一和第二掩模用于电极层定义，而第三掩模用于引线结合定义。优选地，诸如玻璃增强聚酰亚胺PI2723这样的负性光敏聚酰亚胺被用于传感器。在玻璃增强聚酰亚胺的光敏工艺中UV曝光需要G-线型光源。公知玻璃增强聚酰亚胺被用于高吸水因子。
图3(1-9)中示出了传感器的制备工艺。
首先，如图3(1)所示提供衬底。该衬底包括硅片衬底(1)，该硅片衬底层敷(layered)有用于保护硅片衬底表面的二氧化硅(2)和氮化硅。如图3(2)所示，接着，铝层(4)被层敷在硅片衬底(1)的背面上以对衬底加偏压用于使电容损耗最小化。
其次，第一聚酰亚胺层(5)被涂覆在衬底上，并且通过在优选150摄氏度的温度下烘焙该聚酰亚胺层大约30分钟而被聚合。诸如AZ4620这样的正性光刻胶被涂覆在硫化的聚酰亚胺上。图3(3)示出了该光刻胶涂层。AZ400k显影剂能够被用在光刻技术(photolithography)中。如图3(4、5和6)所示，利用蒸发器和剥离工艺沉积一层铝从而在硫化的聚酰亚胺的表面上形成图案化的铝涂层，用于第一电极定义(第一掩模)。
而后，如图3(7)所示，第二聚酰亚胺层(6)被涂覆在衬底上，并且通过在优选150摄氏度的温度下烘焙该聚酰亚胺层大约30分钟而被聚合。接着，诸如AZ4620这样的正性光刻胶被涂覆在硫化的聚酰亚胺上。如图3(8)所示，AZ400k显影剂从而在硫化的聚酰亚胺的表面上形成图案化的铝涂层，用于第一电极定义(第二掩模)。
接着，如图3(8)所示，利用蒸发器(9)沉积铝层(9)用于第二剥离工艺。第三聚酰亚胺层(7)而后被涂覆在第二聚酰亚胺顶部，由此铝层利用DE6180显影剂、和用于引线结合(11)和沟槽(12)定义的第三掩模的RI9180冲洗剂(rinser)而被图案化和显影，如图3(9)所示。
为了制备随后的交叉电极层和聚酰亚胺层，在光刻期间，诸如AZ4620这样的正性光刻胶被涂覆在随后的硫化的聚酰亚胺上，使用AZ400k显影剂从而在随后的硫化的聚酰亚胺的表面上形成随后的图案化的铝涂层，用于随后的电极层。
最后，传感器子在优选350摄氏度的温度下被硫化45分钟，以确保聚酰亚胺的完全亚胺化。这时，传感器的制备工艺已完整并且准备用于引线结合。
Claims (7)
1.用于测量湿气和湿度的具有多层电极的电容传感器的制备工艺，所述工艺包括：
提供一衬底，该衬底包括硅片衬底层（1），在该硅片衬底层（1）的正面层敷二氧化硅层（2），在所述二氧化硅层（2）上层敷氮化硅层（3），在该硅片衬底层（1）的背面层敷铝层（4）；
将第一聚酰亚胺层（5）涂覆在所述氮化硅层（3）上；
在第一聚酰亚胺层（5）上沉积第一交叉电极（8）；
用第二聚酰亚胺层（6）覆盖在所述第一聚酰亚胺层（5）和所述第一交叉电极（8）上；
在第二聚酰亚胺层（6）上沉积第二交叉电极（9），所述第二交叉电极（9）与所述第一交叉电极（8）之间的侧壁（13）彼此垂直且不重叠；
用第三聚酰亚胺层（7）覆盖在所述第二聚酰亚胺层（6）和所述第二交叉电极（9）上；通过剥离工艺在所述第二交叉电极（9）的表面上设置多个沟槽（12）；以及
在所述第二交叉电极（9）的表面上设置引线结合区（10）和引线结合窗口（11）。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其中，沉积所述第一交叉电极（8）是在已经硫化的所述第一聚酰亚胺层（5）上沉积铝层，沉积所述第二交叉电极（9）是在已经硫化的所述第二聚酰亚胺层（6）上沉积铝层。
3.根据权利要求2所述的制备工艺，其中，所述第一聚酰亚胺层（5）和所述第二聚酰亚胺层（6）在大约150摄氏度的烘焙温度下持续大约30分钟而被硫化。
4.根据权利要求1的制备工艺，其中，在光刻期间，使用AZ4620正性光刻胶涂覆在硫化的所述第一聚酰亚胺层（5）和所述第二聚酰亚胺层（6）上，使用AZ400k显影剂从而在硫化的所述第一聚酰亚胺层（5）和所述第二聚酰亚胺层（6）的表面上形成图案化的铝层，用于定义第一交叉电极（8）和第二交叉电极（9），使用DE6180显影剂和RI9180冲洗剂从而在所述第三聚酰亚胺层（7）的表面上形成所述沟槽（12）。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，第三聚酰亚胺层（7）为负性光敏聚酰亚胺层。
6.用于测量湿度的电容传感器，所述传感器包括：
硅片衬底层（1）；
层敷在该硅片衬底层（1）的背面的铝层（4）；
层敷在该硅片衬底层（1）的正面的二氧化硅层（2）；
层敷在二氧化硅层（2）上的氮化硅层（3）；
涂覆在所述氮化硅层（3）上的第一聚酰亚胺层（5）；
沉积在第一聚酰亚胺层（5）上的第一交叉电极（8）；
涂覆在所述第一聚酰亚胺层（5）和所述第一交叉电极（8）上的第二聚酰亚胺层（6）；
沉积在第二聚酰亚胺层（6）上的第二交叉电极（9），所述第二交叉电极（9）与所述第一交叉电极（8）之间的侧壁（13）彼此垂直且不重叠；
涂覆在所述第二聚酰亚胺层（6）和所述第二交叉电极（9）上的第三聚酰亚胺层（7）；
设置在所述第二交叉电极（9）的表面上的引线结合区（10）、引线结合窗口（11）和沟槽（12）。
7.根据权利要求6所述的电容传感器，其中，第三聚酰亚胺层（7）为负性光敏聚酰亚胺层。
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