CN102439430A - 静电容量型湿度传感器以及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静电容量型湿度传感器，更详细而言，涉及一种静电容量型湿度传感器以及其制造方法，通过在ROIC基板形成传感部可以使湿度传感器小型化的同时，通过在下部电极层和上部电极层形成表面积大的高分子材料的减湿层，可以提高传感器的可靠性。本发明的静电容量型湿度传感器包含：ROIC基板，其包含电极极板；金属层，其形成于所述ROIC基板上部，并被图案化以使露出所述电极极板的局部；绝缘层，其形成于所述金属层的上部，并被图案化以使所述电极极板的局部露出；下部电极层，其形成于所述绝缘层的上部；减湿层，其被蚀刻形成以便加大所述下部电极层上部的表面积；上部电极层，其形成于所述减湿层的上部；连接层，其形成于被露出的所述电极极板的上部，并使所述下部电极层和所述上部电极层分别与所述电极极板接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电容量型湿度传感器，更详细而言，涉及一种静电容量型湿度传感器以及其制造方法，通过在ROIC基板的上部形成传感部可以使湿度传感器小型化的同时，通过在下部电极层和上部电极层之间形成表面积大的高分子材料的减湿层，可以提高传感器的可靠性。
背景技术
一般，静电容量型湿度传感器的两端电极之间形成有减湿用聚合物层，使在电极两端感应的电荷量的变化因减湿用聚合物层的减湿而依赖于介电常数的变化以及由此的感应电荷的变化。
所述静电容量型湿度传感器与阻抗型湿度传感器相比，其制造工程复杂且制造费用昂贵，其中所述阻抗型湿度传感器是在两端施加电源并利用因湿度而变化的阻抗的变化来测定湿度的。但是，由于所述静电容量型湿度传感器特性的稳定性和可靠性高，因此多用于高价的测定。
图1是表示现有的静电容量型湿度传感器的结构的透视图。
在基板110的上部形成由SiO2、Si3N4，、SiOxNy等而成的绝缘膜120。并在形成有绝缘膜120的硅基板110的上部形成传感部160以及ROIC(读出集成电路；Readout Integrated Circuit)170。
说明传感部160的制造方法，在绝缘膜120的上部蒸镀铝(Al)、白金(Pt)等金属层并进行图案化而形成下部电极层130。接着，在下部电极层130的上部旋涂聚酰亚胺层并进行图案化而形成减湿层140，并在200℃至300℃之间的温度下进行热处理。
并且，在聚酰亚胺减湿层140的上部蒸镀与下部电极层130相同材质的金属层并进行图案化而形成梳状的上部电极层150，由此，制造在上部电极层150和下部电极层130之间形成有聚酰亚胺减湿层140的平行板容量结构的静电容量型湿度传感器。
此时，将上部电极层150形成为与下部电极层130不同的梳状，这是为了使水分子圆滑地通过聚酰亚胺减湿层140的内部。即，为了使聚酰亚胺减湿层140局部露出。
如此形成传感部160之后，在没有传感部160的硅基板的上部区域形成ROIC 170。由于由ROIC 170而发生的电流或电压等动电现象有可能会影响湿度传感器，因此，优选形成为与传感部160具有预定距离。
但是，现有静电容量型湿度传感器，由于传感部和ROIC部水平位置在一个基板上面，因此存在湿度传感器的小型化受限制的问题。
并且，静电容量型湿度传感器，根据聚合物的固有特性决定敏感度等传感器的特性，由于现有静电容量型湿度传感器具有在两电极之间插入作为减湿层的聚合物的夹层结构，因此存在很难提高减湿层的敏感度的问题。
发明内容
为了解决所述的现有技术问题所提出的本发明，其目的在于，提供一种通过在ROIC基板上部形成传感部而使湿度传感器小型化的同时，通过在下部电极层和上部电极层之间形成表面积较大的由高分子材料而成的减湿层来提高传感器的可靠性的静电容量型湿度传感器以及其制造方法。
本发明的所述目的，通过以下静容量电型湿度传感器达成。所述静电容量型湿度传感器，包括：ROIC基板，其包含电极极板；金属层，其形成于所述ROIC基板上部，并被图案化而使所述电极极板的局部被露出；绝缘层，其形成于所述金属层的上部，并被图案化而使所述电极极板的局部被露出；下部电极层，其形成于所述绝缘层的上部；减湿层，其被蚀刻形成以便加大所述下部电极层上部的表面积；上部电极层，其形成于所述减湿层的上部；连接层，其形成于被露出的所述电极极板的上部，并使所述下部电极层和上部电极层分别与所述电极极板接触。
并且，本发明的所述上部电极层优选形成在所述减湿层中未被蚀刻的区域的上部。
并且，本发明的所述减湿层和所述上部电极层被图案化而优选形成为梳状或树枝形状。
并且，本发明的所述减湿层的厚度优选被蚀刻30％至70％。
并且，本发明的所述减湿层优选由聚酰亚胺类高分子构成。
并且，本发明的所述下部电极层优选形成在未被图案化的所述绝缘层的上部。
并且，本发明的另一目的通过静电容量型湿度传感器的制造方法达成。所述制造方法，包括：在所述金属层的上部形成绝缘层的步骤；对所述绝缘层及金属层进行图案化以使露出所述电极极板的局部的步骤；在所述绝缘层的上部形成下部电极层的步骤；在所述下部电极层的上部形成减湿层的步骤；在所述减湿层的上部形成上部电极层并图案化的步骤；将被图案化的所述上部电极层用作掩膜蚀刻所述减湿层的步骤。
并且，本发明的所述减湿层优选由聚酰亚胺类高分子构成。
并且，本发明的所述上部电极层被图案化而优选形成为梳状或树枝形状。
并且，本发明的被蚀刻的所述减湿层优选蚀刻所述减湿层总厚度的30％至70％而形成。
并且，本发明的所述下部电极层优选形成在未被图案化的所述绝缘层的上部。
因此，本发明的静电容量型湿度传感器以及其制造方法，存在通过在ROIC基板上部形成传感部而使湿度传感器小型化的显著且有效的效果。
并且，通过在下部电极层和上部电极层之间形成表面积被增加的、由高分子材料而成的减湿层，从而存在感应度得以提高且传感器的可靠性变高的显著且有效的效果。
附图说明
图1是现有的静电容量型湿度传感器的透视图。
图2是根据本发明的静电容量型湿度传感器的截面图。
图3至图9是根据本发明的静电容量型湿度传感器的工程流程图。
图10是根据本发明的静电容量型湿度传感器的扫描电子显微镜图像。
图11至图14是表示根据本发明的静电容量型湿度传感器的特性的图表。
具体实施方式
本说明书以及权利要求范围中所使用的术语或单词不局限于通常的解释或者词典上的解释，发明人根据为了以最佳的方法说明自己的发明可适当定义术语的概念的原则，应解释为符合本发明的技术思想的含义及概念。
因此，本说明书中所记载的实施例及附图的构成只不过是本发明的最佳实施例而已并不代表本发明技术思想，所以，应理解为在申请本发明的当时可能会有能代替本发明的各种均等物及变形例。
以下，参照附图详细说明本发明的优选实施例。
图2是根据本发明的静电容量型湿度传感器的截面图。
在包含电极极板(省略图示)的ROIC基板210的上部形成金属层220，在金属层220的上部形成有绝缘层230。并且，对金属层220以及绝缘层230进行图案化，以使露出包含于ROIC基板210的电极极板的局部。
在未被图案化的绝缘层230的上部形成下部电极层240，在下部电极层240的上部形成被图案化而形成为梳状(comb)或树枝状(branch)的减湿层250。此时，减湿层250被蚀刻的深度优选为减湿层250的总厚度的30％至70％。
最后，在未被蚀刻的减湿层250的上部形成上部电极层260之后，形成连接层270以便下部电极层240和上部电极层250与形成在ROIC基板210的电极极板电性接触。
如此，通过在ROIC基板210的上部形成传感部240、250、260，可以使湿度传感器小型化。并且，蚀刻局部减湿层250并使之露出在空气中，从而，大气中的更多量水分被吸附于减湿层250，由此可以形成湿度感应度出色的湿度传感器。
图3至图9是根据本发明的静电容量型湿度传感器的工程流程图。
ROIC基板210的上部通过MEMS(微机电系统；MicroElectroMechanicalSystems)工程制造，因此其表面非常粗糙。该粗糙的表面可以增加比表面积，因此供制造湿度传感器非常好的条件。
并且，ROIC基板210上形成有电极基板(省略图示)，所述电极极板连接ROIC和位于后述的传感部的上部电极层及下部电极层。
通过在所述ROIC基板210的上部形成金属层220(图3)，优选通过金属层220平平地覆盖由MEMS工程变粗糙的表面和电极极板。
并且，金属层220的上部形成有绝缘层230(图4参照)，绝缘层230可形成SiO2、Si3N4、SiOxNy等氧化膜或氮化膜，其厚度在
至
的范围内，并优选与将在后续工程中形成的下部电极层240保持电性绝缘状态。
并且，对金属层220以及绝缘层230进行了图案化以使露出形成在ROIC基板210的上部的电极极板的局部(省略图示)。这是为了使以后形成的下部电极层240和上部电极层250与ROIC接触。
图案化绝缘层230之后，在未被图案化的绝缘层230的上部区域形成下部电极层240(图5)。下部电极层240优选利用包括真空蒸镀或溅射的物理性蒸镀法中的一个形成。并且，下部电极层240优选是利用铝(Al)、金(Au)、白金(Pt)等传导性出色的金属的材料形成的、厚度为至
的薄膜。
形成下部电极层240之后，作为减湿层，将聚酰亚胺类高分子溶液以微米级厚度旋涂至下部电极层240的整个面上。此时，减湿层250的厚度优选为0.1μm至0.5μm(图6)。
作为根据本发明的高分子溶液优选使用聚酰亚胺溶液。
涂布减湿层250之后，在真空中，在100℃至120℃下预热处理100秒至150秒，由此去除薄膜内所包含的空气。并且，预热处理结束后进行后热处理。即，在氮气环境中，在100分至120分钟内使温度上升至200℃至250℃，然后，在30分至40分钟内使温度保持在200℃至250℃，然后，在60分至80分钟内使温度上升至300℃至350℃，从而完成后热处理。当后热处理结束后，因溶剂的蒸发，高分子薄膜的厚度被减少为40％左右，转换为热性及化学性质非常稳定的状态。
后处理结束后，在作为减湿层250的聚酰亚胺薄膜上形成上部电极层260(图7)。上部电极层260也与下部电极层240相同，是利用包含铝(Al)、金(Au)、白金(Pt)等传导性出色的金属的材料形成的厚度为
至
的部件。
并且，为了提高与减湿层的粘接力，可以进一步进行作为缓冲层将铬层(省略图示)以
至
的厚度蒸镀的工程。
形成上部电极层260之后，利用光刻工艺对上部电极层260进行图案化(图8)。此时，通过将图案的形态优选形成为梳状或树枝形状，能使上部电极层260的表面积以及与水分接触的减湿层250的表面积露出更多。
而且，进行RIE(反应离子刻蚀；Reactive Ion Etching)工程，该工程将已被图案化的上部电极层260用作掩膜，并用氧等离子(O2plasma)蚀刻露出的减湿层250的整个面(图9)。RIE通过上部电极层260的光刻工程蚀刻被露出的减湿层250的整个面。蚀刻深度优选为减湿层250的总厚度的30％至70％。
图10是根据本发明的静电容量型湿度传感器的扫描电子显微镜图像。
图11至图14是表示根据本发明的静电容量型湿度传感器的特性的图表。
图11表示了根据作为减湿层而使用的聚酰亚胺层的蚀刻与否的，静电容量型湿度传感器对于相对湿度的静电容量。
蚀刻减湿层之前的湿度传感器(图8)是仅上部电极层被图案化的湿度传感器。并且，蚀刻减湿层后的湿度传感器(图9)是将被图案化的上部电极层用作掩膜，而减湿层被蚀刻成预定厚度的器件。
蚀刻减湿层之前，湿度传感器的湿度感应度是303fF/％RH，蚀刻减湿层之后，湿度传感器的湿度感应度是350fF/％RH，蚀刻减湿层的湿度传感器的湿度感应度增加了15.5％。
蚀刻减湿层之后，被蚀刻的面更多地露出于外部大气中。因此，通过减湿层吸附大气中的更多量水分，从而会增加静电容量。
即，根据减湿层的蚀刻与否，即使在大气中存在同一量的水分，对其进行感应的感应度也会变化，但是在蚀刻了减湿层的情况下可以形成湿度感应度更出色的湿度传感器。
图12表示根据本发明的静电容量型湿度传感器对于水分的反应速度。
90％RH条件下，蚀刻减湿层之前的湿度传感器对于水分的反应速度是122秒，蚀刻减湿层之后的湿度传感器对于水分的反应速度是40秒。即，可知蚀刻减湿层之后的湿度传感器对于水分的反应速度比蚀刻减湿层之前的湿度传感器对于水分的反应速度快3倍。
减湿层被蚀刻之后会露出在更多量的水分中，因此，与未蚀刻水分感应层的湿度传感器相比会在更短时间内感应水分。
图13表示了根据本发明的静电容量型湿度传感器中按照相对湿度的材料的再现性。
随时间经过可以看到一定的静电容量，由此可知是一可靠性非常出色的湿度传感器。
图14表示了根据本发明的静电容量型湿度传感器中按照吸水以及脱水的静电容量。
表示随着水分量的增减静电容量也被一定地增减的线性特性。即，以特定相对湿度为基准湿度被增减时显示同样的静电容量，由此可知本发明的容量型湿度传感器具有非常高的可靠性。
虽然用本发明的所述优选实施例说明了本发明，但是本发明并不限定于所述实施例，属于本发明技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神的范围内，可以进行各种变形及修改。
Claims (11)
1.一种静电容量型湿度传感器，其特征在于，包括：
ROIC基板，其包含电极极板；
金属层，其形成于所述ROIC基板上部，并被图案化以使所述电极极板的局部被露出；
绝缘层，其形成于所述金属层的上部，并被图案化以使所述电极极板的局部被露出；
下部电极层，其形成于所述绝缘层的上部；
减湿层，其被蚀刻形成以便加大所述下部电极层上部的表面积；
上部电极层，其形成于所述减湿层的上部；
连接层，其形成于被露出的所述电极极板的上部，并使所述下部电极层和上部电极层分别与所述电极极板接触。
2.根据权利要求1所述的静电容量型湿度传感器，其特征在于：
所述上部电极层形成在所述减湿层中未被蚀刻的区域的上部。
3.根据权利要求2所述的静电容量型湿度传感器，其特征在于：
所述减湿层和所述上部电极层被图案化而形成为梳状或树枝形状。
4.根据权利要求1所述的静电容量型湿度传感器，其特征在于：
所述减湿层的厚度被蚀刻30％至70％。
5.根据权利要求1所述的静电容量型湿度传感器，其特征在于：
所述减湿层由聚酰亚胺类高分子构成。
6.根据权利要求1所述的静电容量型湿度传感器，其特征在于：
所述下部电极层形成在未被图案化的所述绝缘层的上部。
7.一种静电容量型湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括：
在包含电极极板的ROIC基板的上部形成金属层的步骤；
在所述金属层的上部形成绝缘层的步骤；
对所述绝缘层及金属层进行图案化以使所述电极极板的局部露出的步骤；
在所述绝缘层的上部形成下部电极层的步骤；
在所述下部电极层的上部形成减湿层的步骤；
在所述减湿层的上部形成上部电极层并进行图案化的步骤；
将被图案化的所述上部电极层用作掩膜来蚀刻所述减湿层的步骤。
8.根据权利要求7所述的静电容量型湿度传感器的制造方法，其特征在于：
所述减湿层由聚酰亚胺类高分子构成。
9.根据权利要求7所述的静电容量型湿度传感器的制造方法，其特征在于：
所述上部电极层被图案化而形成为梳状或树枝形状。
10.根据权利要求7所述的静电容量型湿度传感器的制造方法，其特征在于：
被蚀刻的所述减湿层是蚀刻所述减湿层总厚度的30％至70％而形成的。
11.根据权利要求7所述的静电容量型湿度传感器的制造方法，其特征在于：
所述下部电极层形成在未被图案化的所述绝缘层的上部。
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