CN102890106A - 具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器及其制作方法，涉及一种电容式高分子湿度传感器及其制作方法。为了解决目前尺寸不增加的电容式高分子湿度传感器可靠性差的问题。所述传感器包括衬底、下电极、电介质层和上电极；上电极为微米网格状多孔电极，多孔为阵列式排布的通透孔，下电极包括过渡的金属薄层和金薄膜。本发明的制作方法用与高分子湿敏材料相兼容的方法，在高分子湿敏材料形成的电介质层上形成阵列式排布的整体厚度为0.5～1μm的带有网格状多孔的金属薄膜，网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜的焊盘位置上焊接引线。本发明用于检测湿度的传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式高分子湿度传感器,特别涉及一种具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器及其制作方法。
背景技术
电容式高分子湿度传感器是在一种绝缘衬底1上制作出以高分子敏感材料为电介质的电容，高分子电介质层的介电常数随其所吸附的水分含量而变化。该电容的上下极板由金属薄膜构成，电容信号从两个电极引出，这要求两个电极都具有一定的厚度并且可焊。为保证对湿度敏感，敏感层上的电极需要多孔透气，保证水汽可以进出敏感层。金属薄膜导电可焊要求薄膜具有一定厚度并且致密，与基底材料附着良好，同时作为水汽的进出通道，又要求金属薄膜有约1微米孔径的密布通气孔洞，保证湿气的进出敏感薄膜，这两个要求是相互矛盾的，为解决这对矛盾，常规的解决方法有两种，一是将信号引出的焊盘制作在基底材料上，多孔电极制作在高分子湿敏薄膜上，形成串联的两个电容，这样一是增大了元件的尺寸，另一方面同一尺寸下减小了容值，降低了灵敏度；后期该型设计是采用两次金属成膜的方法，在多孔透气的金属薄膜和与下电极4同时制作的焊盘间再沉积上一层较厚的金属薄膜层将透气金属薄膜与焊盘连接，这样保证元件的尺寸不增加的情况下灵敏度提高，但是该方法的补点的本身附着性，及制作补点工艺可操控性都有可能影响元件的后期使用，敏感材料上的透气金属层厚度只能在几十纳米，工艺可控制性不好，而且该层不能对敏感材料层有效保护，容易划伤，后续应用较为不方便。所以目前这种电容式高分子湿度传感器可靠性差。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前尺寸不增加的电容式高分子湿度传感器可靠性差问题，本发明提供一种具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器及其制作方法。
本发明的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器，它包括衬底和湿敏电容薄膜，湿敏电容薄膜包括下电极、电介质层和上电极；其特征在于，所述上电极为微米网格状多孔电极，所述多孔为阵列式排布的通透孔，下电极包括过渡的金属薄层和金薄膜。
上述传感器的制作方法，它包括如下步骤：
步骤一：用无碱玻璃基片作为衬底；
步骤二：在所述衬底上形成过渡的金属薄层，在所述过渡金属薄层上形成厚度为1～1.5μm的金薄膜；
步骤三：将高分子湿敏材料的溶液通过匀胶法涂覆到下电极上形成电介质层，并在固化后的电介质层上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料；
步骤四：在电介质层上形成带有网格状多孔的金属薄膜，所述金属薄膜的整体厚度为0.5～1μm，所述网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜的焊盘位置上焊接引线，所述带有网格状多孔的金属薄膜为上电极。
所述传感器还包括绝缘层，
它的制作方法包括如下步骤：
步骤一：用无碱玻璃基片作为衬底；
步骤二：在所述衬底上形成过渡的金属薄层，在所述过渡金属薄层上形成厚度为1～1.5μm的金薄膜；
步骤三：将高分子湿敏材料的溶液通过匀胶法涂覆到下电极上形成电介质层，并在固化后的电介质层上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料；
步骤四：在电介质层上形成带有网格状多孔的金属薄膜，所述金属薄膜的整体厚度为0.5～1μm，所述网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜的焊盘位置上焊接引线，所述带有网格状多孔的金属薄膜为上电极。
本发明的优点在于，本发明用与高分子湿敏材料相兼容的方法，在高分子湿敏材料形成的电介质层上面制作一层上电极，该上电极既要保证湿敏电容独特的多孔透气要求，又要能够作为电容的一个极板连续导电，最为重要的是，该上电极同时要形成一个可以作为信号导出的可焊焊盘。传统方法制作的金属上电极6只能在几十纳米厚度，稍厚一点就过于致密而不能让水分子通过，稍薄一点则金属层不连续不能作为电容极板，与这样的薄膜极板相比，本发明的微米网格状多孔的上电极厚度可达微米级，所以电极层的厚度冗余度大大增加；虽然纳米级的薄膜是无法进行引线焊接的，通过增加过渡补点的方法也会带来后续元件应用中的不可靠因素，若是换做其他多孔导电材料，电极可焊性降低，信号引出方式减少，元件可靠性降低。本发明用可靠的方法同时解决需要多孔透气、导电连续并且致密可焊的金属薄膜制作方法，解决了湿敏电容上电极极板制作和信号引出的难题，该方法工艺可实现性强，便于批量生产应用。本发明容易实现，工艺一致性好，对元件的性能和可靠性提高都有很好的效果，并且扩大了上电极导电透气薄膜材料的可选范围。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式二制作的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器，它包括衬底1和湿敏电容薄膜，湿敏电容薄膜包括下电极4、电介质层5和上电极6；其特征在于，所述上电极6为微米网格状多孔电极，所述多孔为阵列式排布的通透孔，下电极4包括过渡的金属薄层和金薄膜。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器进一步限定，它还包括绝缘层。
本实施方式中，绝缘层包括二氧化硅层2和氮化硅层3。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器进一步限定，所述的过渡的金属薄层为铬薄层或钛薄层。
铬薄层或钛薄层的作用是为了增加下电极4金属与衬底1的附着强度。
具体实施方式四：本实施方式是具体实施方式二所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，它包括如下步骤：
步骤一：用单晶硅作为衬底1，在所述衬底1上形成二氧化硅层2，在所述二氧化硅层2上形成氮化硅层3；所述二氧化硅层2和氮化硅层3作为衬底1的绝缘层；
步骤二：在所述氮化硅层3上形成过渡的金属薄层，在所述过渡金属薄层上形成厚度为1～1.5μm的金薄膜；
步骤三：将高分子湿敏材料的溶液通过匀胶法涂覆到下电极4上形成电介质层5，并在固化后的电介质层5上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料；
步骤四：在电介质层5上形成带有网格状多孔的金属薄膜，所述金属薄膜的整体厚度为0.5～1μm，所述网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜焊盘位置上焊接引线，所述带有网格状多孔的金属薄膜为上电极6。
上电极6的功能有三个，一是要连续导电可以作为电容的另一极板，而使电容功能实现，二是作为湿敏电容的一个水分子的进出通道，保证水分子可以进入到敏感材料中，三是要致密有一定的厚度，可以用同一层材料形成上电极6信号引出的焊盘，
为了同时满足上面三方面的要求，提出一种微米网格状多孔的金属薄膜，在湿敏材料的电介质层5上方，金属薄膜是网格形状，网格的孔隙和线条宽度在微米数量级，所述网格的孔隙的直径的范围为1μm～4μm，所述网格的线条宽度的范围为1μm～4μm，在需要引线焊接处采用完整薄膜，整体上电极6薄膜厚度在0.5～1μm，采用金属薄膜剥离工艺形成。在基片上预先涂覆一种特殊的光刻胶，然后刻出与要形成的网格状上电极6相互补的图形，再沉积金属薄膜，然后将用专用溶剂将光刻胶溶掉，同时将需要去掉部分的金属层带掉，留下所需的网格状金属层。
将上电极6和下电极4分离，在两个电极的焊盘位置上通过金丝球焊焊接引线，有时也可以用锡焊方法焊接引线或是采用引线夹导电胶加固等引线方式。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法的进一步限定，步骤一中在所述衬底1上形成二氧化硅层2的方法为：在所述衬底1上采用半导体工艺中的高温热氧化形成二氧化硅层2，厚度为2000A～3000A；
步骤一中在所述二氧化硅层2上形成氮化硅层3的方法为：在所述二氧化硅层2上采用LPCVD法形成氮化硅层3，厚度为1000A～1500A。
LPCVD为（low-pressure chemical vapor deposition）低压化学汽相淀积。
具体实施方式六：本实施方式是具体实施方式一所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，它包括如下步骤：
步骤一：用无碱玻璃基片作为衬底1；
步骤二：在所述衬底1上形成过渡的金属薄层，在所述过渡金属薄层上形成厚度为1～1.5μm的金薄膜；
步骤三：将高分子湿敏材料的溶液通过匀胶法涂覆到下电极4上形成电介质层5，并在固化后的电介质层5上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料；
步骤四：在电介质层5上形成带有网格状多孔的金属薄膜，所述金属薄膜的整体厚度为0.5～1μm，所述网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜的焊盘位置上焊接引线，所述带有网格状多孔的金属薄膜为上电极6。
上电极6的功能有三个，一是要连续导电可以作为电容的另一极板，而使电容功能实现，二是作为湿敏电容的一个水分子的进出通道，保证水分子可以进入到敏感材料中，三是要致密有一定的厚度，可以用同一层材料形成上电极6信号引出的焊盘，
为了同时满足上面三方面的要求，提出一种微米网格状多孔的金属薄膜，在湿敏材料的电介质层5上方，金属薄膜是网格形状，网格的孔隙和线条宽度在微米数量级，在需要引线焊接处采用完整薄膜，整体上电极6薄膜厚度在0.5～1μm，采用金属薄膜剥离工艺形成。在基片上预先涂覆一种特殊的光刻胶，然后刻出与要形成的网格状上电极6相互补的图形，再沉积金属薄膜，然后将用专用溶剂将光刻胶溶掉，同时将需要去掉部分的金属层带掉，留下所需的网格状金属层。
将上电极6和下电极4分离，在两个电极的焊盘位置上通过金丝球焊焊接引线，有时也可以用锡焊方法焊接引线。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四或六所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法的进一步限定，步骤二中形成过渡的金属薄层的方法为采用真空蒸镀或是溅射方法。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式四或六所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法的进一步限定，步骤二中形成过渡的金属薄层为铬薄层或钛薄层。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式四或六所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法的进一步限定，步骤三中在固化后的电介质层5上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料的方法为：在固化后的电介质层5上经金属沉积、光刻和干法刻蚀掉多余的高分子湿敏材料。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式四或六所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法的进一步限定，
步骤四中所述在电介质层5上形成带有网格状多孔的金属薄膜的方法为：
在电介质层5上涂覆一种特殊的光刻胶，在所述光刻胶上刻出与要形成的网格状多孔相互补的图形，再在所述光刻胶上沉积金属薄膜，沉积后将光刻胶和光刻胶上面金属薄膜溶掉，形成带有网格状多孔的金属薄膜。
Claims (10)
1.具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器，它包括衬底（1）和湿敏电容薄膜，湿敏电容薄膜包括下电极（4）、电介质层（5）和上电极（6）；其特征在于，所述上电极（6）为微米网格状多孔电极，所述多孔为阵列式排布的通透孔，下电极（4）包括过渡的金属薄层和金薄膜。
2.根据权利要求1所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器，其特征在于，它还包括绝缘层。
3.根据权利要求1所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器，其特征在于，所述的过渡的金属薄层为铬薄层或钛薄层。
4.权利要求2所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：用单晶硅作为衬底（1），在所述衬底（1）上形成二氧化硅层（2），在所述二氧化硅层（2）上形成氮化硅层（3）；所述二氧化硅层（2）和氮化硅层（3）作为衬底（1）的绝缘层；
步骤二：在所述氮化硅层（3）上形成过渡的金属薄层，在所述过渡金属薄层上形成厚度为1～1.5μm的金薄膜；
步骤三：将高分子湿敏材料的溶液通过匀胶法涂覆到下电极（4）上形成电介质层（5），并在固化后的电介质层（5）上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料；
步骤四：在电介质层（5）上形成带有网格状多孔的金属薄膜，所述金属薄膜的整体厚度为0.5～1μm，所述网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜焊盘位置上焊接引线，所述带有网格状多孔的金属薄膜为上电极（6）。
5.根据权利要求4所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，步骤一中在所述衬底（1）上形成二氧化硅层（2）的方法为：在所述衬底（1）上采用半导体工艺中的高温热氧化形成二氧化硅层（2），厚度为2000A~3000A；
步骤一中在所述二氧化硅层（2）上形成氮化硅层（3）的方法为：在所述二氧化硅层（2）上采用LPCVD法形成氮化硅层（3），厚度为1000A~1500A。
6.权利要求1所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：用无碱玻璃基片作为衬底（1）；
步骤二：在所述衬底（1）上形成过渡的金属薄层，在所述过渡金属薄层上形成厚度为1～1.5μm的金薄膜；
步骤三：将高分子湿敏材料的溶液通过匀胶法涂覆到下电极（4）上形成电介质层（5），并在固化后的电介质层（5）上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料；
步骤四：在电介质层（5）上形成带有网格状多孔的金属薄膜，所述金属薄膜的整体厚度为0.5～1μm，所述网格状多孔的孔隙和线条宽度在微米数量级；并在厚度为0.5～1μm的金属薄膜的焊盘位置上焊接引线，所述带有网格状多孔的金属薄膜为上电极（6）。
7.根据权利要求4或6所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，步骤二中形成过渡的金属薄层的方法为采用真空蒸镀或是溅射方法。
8.根据权利要求4或6所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，步骤二中形成过渡的金属薄层为铬薄层或钛薄层。
9.根据权利要求4或6所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，步骤三中在固化后的电介质层（5）上刻蚀掉多余的高分子湿敏材料的方法为：在固化后的电介质层（5）上经金属沉积、光刻和干法刻蚀掉多余的高分子湿敏材料。
10.根据权利要求4或6所述的具有微米网格状多孔电极的电容式高分子湿度传感器的制作方法，其特征在于，步骤四中所述在电介质层（5）上形成带有网格状多孔的金属薄膜的方法为：
在电介质层（5）上涂覆一种特殊的光刻胶，在所述光刻胶上刻出与要形成的网格状多孔相互补的图形，再在所述光刻胶上沉积金属薄膜，将沉积后的光刻胶及光刻胶上的金属薄膜一起溶掉，形成带有网格状多孔的金属薄膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130123 |