CN103616087A - 一种冷藏运输载具用温湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷藏运输载具用温湿度传感器及其制备方法，其传感器的感温单元与感湿单元分别固装在各自的由氮化硅钝化层所制成的方槽内；其制备方法的步骤是：首先淀积一层较厚的氮化硅钝化层，在其上光刻腐蚀形成两个腔作为感温单元和感湿单元的隔室，将感温单元和感湿单元分别安装到两个隔室中，再进行外围处理电路的印刷安装，最后对整个传感器进行封装检测。本发明感湿单元的上下电极和感湿膜均采用梳状结构，电极采用梳状结构的优点在于可以增大感湿单元的电容输出值，感湿膜采用梳状结构的优点在于增大了膜与空气的接触面积，缩短了水分子进出感湿膜的时间，从而提高传感器响应速度；采用CMOS工艺制备，具备微型化、低功耗的特点。

Description

一种冷藏运输载具用温湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于运输领域，涉及冷藏运输载具所用的温湿度传感器，尤其是一种采用CMOS工艺制备的冷藏运输载具用温湿度传感器及其制备方法。

背景技术

农业属于第一产业，农产品的保鲜和加工是农业生产的继续，发达国家均把产后贮藏加工放在农业的首要位置，而随着经济全球化水平的提高，冷藏运输业迅猛发展，在农产品冷藏运输过程中，保障鲜活货物的运输安全尤为重要，解决这一问题将带来巨大的经济效益。因此，对冷藏运输载具内环境的高精度监控即保持温度、湿度等处于适宜货物存储的范围内是保障货物运输安全的关键。

我国作为农业大国更为重视农产品的贮藏保鲜。农产品的冷藏保鲜环境大多处于低温、高湿状态，水蒸汽极易导致湿度传感器表面结露，从而严重影响检测湿度的精度。为防止这一状况发生，现有一些温湿度传感器是将感温单元、感湿单元及加热元件封装于同一密封套内。但是，将感温单元与加热元件封装于一体，温敏元件会因加热元件的升温而产生误差，不仅会影响检测温度的精度，也会影响对露点的正确判断，进而无法及时启动加热元件来预防湿度传感单元表面结露。

NTC（NegativeTemperatureCoefficient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻，其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。NTC热敏电阻具有高灵敏度、低成本的优点，在-55℃～+300℃具有良好的性能，是制备温度传感器的首选材料，目前在食品储藏、医药卫生等领域得到广泛应用。

现有大部分NTC芯片采用环氧树脂或酚醛树脂作为绝缘保护层，其浸蘸工艺决定其厚度不可能很薄，因此会影响温度测量的准确度及传感器的响应速度。

现有的高分子电容式湿度传感器是梳状电极上覆盖一层连续的感湿膜，水分子进入到感湿膜引起介电常数变化从而相应改变电容值，因此传感器的响应速度取决于水分子进出感湿膜的快慢，即加快感湿膜吸收和释放水分子的速率便可提高传感器的响应速度。

发明内容

本发明为解决上述现有技术所存在的问题，提供了一种可提高响应时间及检测精度的冷藏运输载具用温湿度传感器及其制备方法。

本发明实现目的的技术方案是：

一种冷藏运输载具用温湿度传感器，包括感温单元、感湿单元及氮化硅钝化层，感温单元与感湿单元分别固装在各自的由氮化硅钝化层所制成的方槽内。

而且，所述感温单元由封装层、NTC热敏电阻芯片、金属电极及其引线构成，金属电极之间固装NTC热敏电阻芯片，在金属电极外密封固装封装层，电极引线引出封装层外。

而且，所述感湿单元由下至上每层依次为硅衬底、二氧化硅、多晶硅、氮化硅、下电极及其引线、电阻条及其引线、高分子感湿膜、上电极及其引线、氮化硅构成，其中，硅衬底、二氧化硅、多晶硅、氮化硅均采用封闭的板状，下电极、高分子感湿膜、上电极、氮化硅均采用形状基本相同的梳齿状，而电阻条采用折线结构。

而且，所述电阻条及其引线和下电极及其引线处于同一水平面，均附在氮化硅的上表面，电阻条采用折线结构，环绕穿插于下电极的梳状齿的间隙中。

一种冷藏运输载具用温湿度传感器的制备方法，步骤是：

首先淀积一层较厚的氮化硅钝化层，在其上光刻腐蚀形成两个腔作为感温单元和感湿单元的隔室，将感温单元和感湿单元分别安装到两个隔室中，再进行外围处理电路的印刷安装，最后对整个传感器进行封装检测。

而且，所述感温单元的制作过程是：

⑴将锰、铜、钴、铁、镍的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺后经过划切，制成方片型NTC热敏电阻基片；

⑵将导电银浆涂覆到NTC热敏电阻基片上下正方形表面，形成NTC热敏电阻的两个金属电极；

⑶将两根杜美丝分别粘覆到导电银浆形成的两个金属电极上，作为金属电极的引线，在银浆烧结温度下烧结，即完成暂未封装的NTC热敏电阻；

⑷将玻璃浆料用喷头通过合适压力喷洒到第⑶步制好的NTC热敏电阻上，形成致密且薄的玻璃保护层即完成玻璃封装，其中预留出一定长度的杜美丝避免被玻封，最后烧结，完成感温单元制备。

而且，所述感湿单元的制作过程是：在硅衬底上热生长一层氧化层二氧化硅，然后在二氧化硅上淀积一层多晶硅，并且在多晶硅上光刻引线孔，再于多晶硅上淀积绝缘层氮化硅，在氮化硅上溅射铝并光刻腐蚀成梳状结构，导出引线，形成下电极及其引线，并且在氮化硅上溅射铝或者铂，经光刻腐蚀形成折线结构的电阻条环绕穿插于下电极的梳状齿的间隙中，导出引线，在下电极上表面涂覆聚酰亚胺形成高分子感湿膜，然后于高分子感湿膜上表面溅射铝并导出引线，形成上电极及其引线，最后在上电极上表面淀积绝缘层氮化硅。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明感温单元的NTC热敏电阻的玻璃封装采用喷洒技术，用喷头将玻璃浆料喷洒到热敏电阻表面，通过控制喷洒强度调节封装厚度，可以有效减小封装层的厚度，从而提高测量的准确度和缩短传感器的响应时间。

2、本发明感湿单元的上下电极和感湿膜均采用梳状结构，电极采用梳状结构的优点在于可以增大感湿单元的电容输出值，感湿膜采用梳状结构的优点在于增大了膜与空气的接触面积，缩短了水分子进出感湿膜的时间，从而提高传感器响应速度。

3、本发明的感湿单元包含一层多晶硅加热层，加热均匀，可有效防止感湿单元表面结露，同时缩短高分子感湿膜中水分子的脱附时间，从而提高感湿单元的响应速度，还能有效去除感湿单元表面的可挥发杂质，减小这些杂质对湿度检测的影响。

4、本发明感湿单元的加热层与下电极之间包含一层氮化硅钝化层，上电极的上表面覆盖一层氮化硅钝化层。氮化硅具有电绝缘性好、化学性质稳定等特点，用于保护电极，防止电荷的流失，上电极上表面的氮化硅钝化层还可以起到防尘的作用。

5、本发明感温单元与感湿单元之间通过氮化硅钝化层在空间上隔开，氮化硅的热膨胀系数小，可避免感湿单元的加热层对感温单元的影响，保证对温度测量的精度，同时确保了信号处理电路对被测环境露点判断的准确度，当临近实际露点时，能及时启动加热层进行加热，避免感湿单元表面结露，保证其检测精度。

6、本发明采用CMOS工艺制备，具备微型化、低功耗的特点。

附图说明

图1为本发明的结构主视图；

图2为图1的A-A向截面剖视图；

图3为本发明感温单元未封装的立体结构示意图；

图4为图3的封装后的感温单元剖视图；

图5为本发明感湿单元的结构爆炸图；

图6为图5的感湿单元俯视图；

图7为本发明的信号处理原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详述，需要说明的是，本实施例是描述性的，而不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种冷藏运输载具用温湿度传感器，其主体结构参见图1、2，是采用NTC温度传感技术和梳状电容式湿度传感技术，由感温单元2、感湿单元3及氮化硅钝化层1构成，感温单元与感湿单元分别固装在各自的由氮化硅钝化层所制成的方槽内，二者之间通过氮化硅钝化层在空间上隔开，可避免感湿单元的加热层对感温单元的影响，保证对温度测量的精度；同时确保了信号处理电路对被测环境露点判断的准确度，当临近实际露点时，能及时启动加热层进行加热，避免感湿单元表面结露，保证其检测精度。该温湿度传感器采用CMOS工艺制备，具备微型化、低功耗的特点。

所述感温单元的结构参见图3、4，由封装层7、NTC热敏电阻芯片4、金属电极5及其引线6构成，金属电极之间固装NTC热敏电阻芯片，在金属电极外密封固装封装层，电极引线引出封装层外。NTC热敏电阻基片采用正方形薄片式结构，金属电极采用银制作，电极引线采用杜美丝，封装层采用玻璃封装层。

所述感湿单元的结构参见图5、6，由下至上每层依次为硅衬底8、二氧化硅9、多晶硅10、氮化硅12、下电极15及其引线13、电阻条14及其引线11、高分子感湿膜16、上电极17及其引线19、氮化硅18。其中，硅衬底、二氧化硅、多晶硅、氮化硅均采用封闭的板状，下电极、高分子感湿膜、上电极、氮化硅均采用形状基本相同的梳齿状，而电阻条采用折线结构。电极采用梳状结构的优点在于可以增大感湿单元的电容输出值，感湿膜采用梳状结构的优点在于增大了膜与空气的接触面积，缩短了水分子进出感湿膜的时间，从而提高传感器响应速度。

所述多晶硅用于加热，防止感湿单元表面结露，同时缩短高分子感湿膜中水分子的脱附时间，还能去除其表面的可挥发杂质。

所述氮化硅因其具有电绝缘性好、化学性质稳定等特点而用于保护电极，防止电荷的流失。

所述下电极及其引线和上电极及其引线采用的材质为铝。

所述电阻条及其引线采用铂或者铝等热敏金属材质，对感湿单元进行温度补偿。

所述高分子感湿膜采用聚酰亚胺制成。

所述电阻条及其引线和下电极及其引线处于同一水平面，均附在氮化硅的上表面。电阻条采用折线结构，环绕穿插于下电极的梳状齿的间隙中。

本发明的制作过程为：

首先淀积一层较厚的氮化硅钝化层，在其上光刻腐蚀形成两个腔作为感温单元和感湿单元的隔室，然后分别进行感温单元和感湿单元的制作安装。

1、感温单元的制作过程：

⑴将锰、铜、钴、铁、镍的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺后经过划切，制成方片型NTC热敏电阻基片；

⑵将导电银浆涂覆到NTC热敏电阻基片上下正方形表面，形成NTC热敏电阻的两个金属电极；

⑶将两根杜美丝分别粘覆到导电银浆形成的两个金属电极上，作为金属电极的引线，在银浆烧结温度下烧结，即完成暂未封装的NTC热敏电阻；

⑷将玻璃浆料用喷头通过合适压力喷洒到第⑶步制好的NTC热敏电阻上，形成致密且薄的玻璃保护层即完成玻璃封装，其中预留出一定长度的杜美丝避免被玻封，最后烧结，完成感温单元制备。

2、感湿单元的制作过程：

在硅衬底上热生长一层氧化层二氧化硅，然后在二氧化硅上淀积一层多晶硅，并且在多晶硅上光刻引线孔，再于多晶硅上淀积绝缘层氮化硅，在氮化硅上溅射铝并光刻腐蚀成梳状结构，导出引线，形成下电极及其引线，并且在氮化硅上溅射铝或者铂，经光刻腐蚀形成折线结构的电阻条环绕穿插于下电极的梳状齿的间隙中，导出引线，在下电极上表面涂覆聚酰亚胺形成高分子感湿膜，然后于高分子感湿膜上表面溅射铝并导出引线，形成上电极及其引线，最后在上电极上表面淀积绝缘层氮化硅。

3、感温单元和感湿单元的制作安装：

将感温单元和感湿单元分别安装到两个隔室中，再进行外围处理电路的印刷安装，最后对整个传感器进行封装检测。

当温度变化时，利用NTC负温度系数的热敏电阻现象，通过测量两根杜美丝导线之间阻值的变化来测量环境的温度。

当湿度变化时，高分子感湿膜聚酰亚胺的介电常数会随着膜内水分子数的变化而相应改变，通过测量梳状电极的电容值来测量环境的湿度。

传感器工作时，感温单元与感湿单元输出的电信号经过放大及调理，由A/D转换器转换为数字信号，经过校验后传递给处理器进行信号处理，信号处理时判断是否临近实际露点，以便及时启动加热层进行加热，避免感湿单元表面结露，保证其检测精度。

Claims (7)

1.一种冷藏运输载具用温湿度传感器，其特征在于：包括感温单元、感湿单元及氮化硅钝化层，感温单元与感湿单元分别固装在各自的由氮化硅钝化层所制成的方槽内。

2.根据权利要求1所述的冷藏运输载具用温湿度传感器，其特征在于：所述感温单元由封装层、NTC热敏电阻芯片、金属电极及其引线构成，金属电极之间固装NTC热敏电阻芯片，在金属电极外密封固装封装层，电极引线引出封装层外。

3.根据权利要求1所述的冷藏运输载具用温湿度传感器，其特征在于：所述感湿单元由下至上每层依次为硅衬底、二氧化硅、多晶硅、氮化硅、下电极及其引线、电阻条及其引线、高分子感湿膜、上电极及其引线、氮化硅构成，其中，硅衬底、二氧化硅、多晶硅、氮化硅均采用封闭的板状，下电极、高分子感湿膜、上电极、氮化硅均采用形状基本相同的梳齿状，而电阻条采用折线结构。

4.根据权利要求1所述的冷藏运输载具用温湿度传感器，其特征在于：所述电阻条及其引线和下电极及其引线处于同一水平面，均附在氮化硅的上表面，电阻条采用折线结构，环绕穿插于下电极的梳状齿的间隙中。

5.一种如权利要求1所述的冷藏车用气体压力传感器的制备方法，其特征在于：首先淀积一层较厚的氮化硅钝化层，在其上光刻腐蚀形成两个腔作为感温单元和感湿单元的隔室，将感温单元和感湿单元分别安装到两个隔室中，再进行外围处理电路的印刷安装，最后对整个传感器进行封装检测。

6.根据权利要求5所述的冷藏运输载具用温湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述感温单元的制作过程是：

⑴将锰、铜、钴、铁、镍的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺后经过划切，制成方片型NTC热敏电阻基片；

⑵将导电银浆涂覆到NTC热敏电阻基片上下正方形表面，形成NTC热敏电阻的两个金属电极；

⑶将两根杜美丝分别粘覆到导电银浆形成的两个金属电极上，作为金属电极的引线，在银浆烧结温度下烧结，即完成暂未封装的NTC热敏电阻；

⑷将玻璃浆料用喷头通过合适压力喷洒到第⑶步制好的NTC热敏电阻上，形成致密且薄的玻璃保护层即完成玻璃封装，其中预留出一定长度的杜美丝避免被玻封，最后烧结，完成感温单元制备。

7.根据权利要求5所述的冷藏运输载具用温湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述感湿单元的制作过程是：在硅衬底上热生长一层氧化层二氧化硅，然后在二氧化硅上淀积一层多晶硅，并且在多晶硅上光刻引线孔，再于多晶硅上淀积绝缘层氮化硅，在氮化硅上溅射铝并光刻腐蚀成梳状结构，导出引线，形成下电极及其引线，并且在氮化硅上溅射铝或者铂，经光刻腐蚀形成折线结构的电阻条环绕穿插于下电极的梳状齿的间隙中，导出引线，在下电极上表面涂覆聚酰亚胺形成高分子感湿膜，然后于高分子感湿膜上表面溅射铝并导出引线，形成上电极及其引线，最后在上电极上表面淀积绝缘层氮化硅。

Images