CN107533027B

CN107533027B - 湿度传感器

Info

Publication number: CN107533027B
Application number: CN201680022079.5A
Authority: CN
Inventors: S.E.贝克; B.G.莫法特
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: EP3259581B1; EP3259581A1; US10677747B2; CN107533027A; WO2016134079A1; US20180031510A1

Abstract

湿度传感器可以表现出相对少量的滞后和/或较快的响应时间。在一些情况下，湿度传感器可以包括设置在电极层上的聚合物湿度传感层。所述聚合物湿度传感层可以包括设置在所述聚合物湿度传感层上的卤化层。所述聚合物湿度传感层可以例如包含聚酰亚胺，并且所述卤化层可以包含单层或少于单层的氟化材料，例如卤化材料。

Description

湿度传感器

相关申请

本申请要求2016年2月17日提交的标题为“湿度传感器”的国际申请PCT/US2016/018355的优先权并且是该国际申请的国家阶段，该国际申请要求2015年2月17日提交的标题为“湿度传感膜的表面化学改性”的美国临时申请序列62/117,208的权益，两个申请的全部内容通过引用并入本文。

背景

电容式和电阻式湿度传感器依赖于传感材料快速吸收和解吸水分子的能力。吸收的水分通过改变传感材料的电阻、介电常数或应力(其中的每一个都可以直接影响传感器的电响应)来改变传感材料的物理性质。本体聚酰亚胺膜通常用作许多电容式和电阻式湿度传感器中的湿度传感材料。然而，使用本体聚酰亚胺膜的湿度传感器通常因为该膜的吸附、吸收、扩散和解吸性质而表现出固有的滞后。此外，这样的传感器通常具有相对较大的响应时间。期望的是表现出相对较小量滞后(例如1%或更小的2σ滞后)和/或较快的响应时间的湿度传感器。

概述

本公开内容总体上涉及表现出相对少量的滞后和/或较快的响应时间的湿度传感器。在一些情况下，湿度传感器可以包括设置在电极层上的聚合物湿度传感层。所述聚合物湿度传感层可以包括设置在所述聚合物湿度传感层上的卤化层。在一些情况下，所述聚合物湿度传感层可以例如包含聚酰亚胺，并且所述卤化层可以包含单层或少于单层的卤化材料，例如氟化材料。

在本公开内容的具体实例中，湿度传感器可以包括基材和由基材支撑的电极层。在一些情况下，所述电极层可以限定第一电容板和第二电容板。非卤化湿度传感层可以与所述电极层相邻设置，并且可以包括多个开口以增加所述非卤化湿度传感层的有效表面积。卤化层可以邻接所述非卤化湿度传感层。

在本公开内容的另一个实例中，湿度传感器可以包括基材和由基材支撑的电极层。在一些情况下，所述电极层可以限定第一电容板和第二电容板。聚酰亚胺湿度传感层可以与所含电极层相邻设置。在一些情况下，所述聚酰亚胺湿度传感层包括传感表面和厚度，并且包括在传感表面内形成的多个开口以增加传感表面的有效表面积。在一些情况下，聚酰亚胺湿度传感层的传感表面可以被氟化至小于所述聚酰亚胺湿度传感层的厚度的深度，从而产生氟化的传感表面。

在本公开内容的另一个实例中，制造湿度传感器的方法可以包括在基材上形成电极层。可以将非卤化聚合物材料作为湿度传感材料设置在所述电极层上。在所述电极层上设置非卤化聚合物材料的情况下，可以将所述非卤化聚合物材料卤化，以增加所述非卤化聚合物材料对湿度传感滞后的抵抗性。

上文对一些实施方案的概述不旨在描述本公开内容的每个公开的实施方案或每次实施。随后的附图和详细描述更具体地举例说明了这些实施方案中的一些。

附图简述

结合附图考虑以下详细描述，可以更全面地理解本公开内容，其中：

图1是根据本公开内容的一个实施方案的说明性湿度传感器的示意性横截面侧视图；

图2是根据本公开内容的一个实施方案的说明性湿度传感器的横截面侧视图；

图3是板式湿度传感器的俯视图，其中为了露出电极而未示出湿度传感材料；

图4是沿着线A-A'截取的图3的湿度传感器的示意性横截面侧视图，示出了湿度传感材料；

图5是在湿度传感材料的附加处理之后的沿着线A-A'截取的图3的湿度传感器的示意性横截面侧视图；

图6是图5的湿度传感器的俯视图；

图7是图5的湿度传感器的替代的俯视图；

图8是交叉指型（interdigitated）湿度传感器的俯视图；

图9是沿着线B-B'截取的图8的湿度传感器的示意性横截面侧视图；

图10是在湿度传感材料的附加处理之后的图9的一部分的放大横截面侧视图；和

图11是图示说明制造湿度传感器的说明性方法的流程图。

尽管可以将本公开内容修改为各种改变或替代形式，其具体内容已经通过附图显示并且将详细描述。然而应该理解，不意图将本公开内容限于描述的具体实施方案。相反地，意图涵盖落入本公开内容的精神和范围内的所有改变、等同方案和替代方案。

描述

对于下文定义的术语而言，除非在权利要求或本说明书的其他部分中给出了不同的定义，否则应适用这些定义。

认为本文中所有的数值都被术语“约”修饰，无论是否明确指出。术语“约”通常是指本领域技术人员将认为等同于所陈述的值(即具有相同的功能或结果)的数值范围。在许多情况下，术语“约”可以包括四舍五入至最接近的有效数字的数值。

通过端点对数值范围的陈述包括该范围内的所有数值(例如，1-5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。

如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个、“一种”和“所述”包括复数对象，除非内容中另有明确规定。如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义使用，除非内容中另有明确规定。

应注意，说明书中对“一个实施方案”、“一些实施方案”、“其他实施方案”等的引用表示所描述的实施方案可以包括一个或多个具体特征、结构和/或特点。然而，这样的陈述并不一定意味着所有实施方案都包括该具体特征、结构和/或特点。另外，当结合一个实施方案描述具体特征、结构和/或特点时，应当理解，除非明确地有相反的规定，否则这样的特征、结构和/或特点也可以结合其他实施方案使用，无论是否有明确描述。

应参考附图阅读以下详细描述，其中在不同的附图中的相似结构的编号相同。不一定按比例绘制的附图描绘了说明性的实施方案，并不意图限制本公开内容的范围。图1是说明性湿度传感器10的示意性横截面侧视图，其示出了湿度传感器10的具体特征。说明性湿度传感器10包括基材12，其在一些情况下可以是硅基材，但也可以使用其他基材。说明性湿度传感器10包括电极层14。如图所示，湿度传感器10是板式湿度传感器，其中电极层14包括一对电容板14a和14b。然而，在一些情况下，湿度传感器10可以是交叉指型湿度传感器(其中电极层包括一对交叉指型电极)或者根据需要的任何其他合适的湿度传感器构造。

说明性湿度传感器10还包括湿度传感材料16，其在一些情况下可以包括第一层18和第二层20。在一些情况下，第一层18可以是聚合物，例如但不限于聚酰亚胺、聚对二甲苯、苯并环丁烯和二乙烯基硅氧烷双(苯并环丁烯)。在一些情况下，第一层18可以是聚酰亚胺，第二层20可以是沉积于第一层18上的卤化层。在一些情况下，第二层20可以是氟化层，但是也可以使用其他卤素，例如氯和溴。

在一些情况下，第二层20可以不是单独的层，而可以代表第一层18的外表面的至少一部分的氟化。在一些情况下，例如，湿度传感层16可以包括传感表面22和在图1上表示为尺寸D₁的总体厚度。第二层20可以代表第一层18的卤化部分，并且可以具有表示为尺寸D₂的厚度(或可以被认为是卤化深度)。在一些情况下，第二层20可以代表已被氟化至小于第一层18的厚度D₁的深度D₂的第一层18的一部分。

在一些情况下，代表传感表面的卤化(例如氟化)的第二层20可以被认为形成单层，或者在一些情况下可以被认为是卤素(例如氟)的部分单层。在一些情况下，可以例如通过将C_xH_yF_z等离子体沉积于聚酰亚胺湿度传感层16上来氟化传感表面22，其中x是1-4的整数，y是0-2的整数，z是2-8的整数。在一些情况下，可以经由CF₄、C₂F₆、C₄F₈、CHF₃和CH₂F₂中的一种或多种的等离子体沉积来氟化传感表面22。在一些情况下，在传感表面22内可能有氢的部分置换。在一些情况下，特别是在C_xH_yF_z的等离子体沉积期间，可能会有氟碳化合物和氢氟烃的非均匀混合物沉积于传感表面22上。

图2是说明性湿度传感器50的侧视图。如图所示，湿度传感器50是板式湿度传感器。说明性湿度传感器50包括基材52和设置在基材52上的介电层54。在一些情况下，基材52可以是硅，并且介电层54可以是例如SiO₂。多孔铂层56形成由两个系列（series）电容器CX1和CX2共用的公共板。层58是形成电容器CX1和CX2的其他板的图案化的层。例如，层58可以被制成如图3所示的图案，以形成用于电容器CX1的电容器板58a和用于电容器CX2的单独的电容器板58b。电容器板58a可以电连接至金垫(pad)64a，并且电容器板58b可以电连接至金垫64b。在一些情况下，层58可以是钛钨合金。钝化层60可以在多孔铂层56上形成并且例如可以是聚酰亚胺。介电层62设置在多孔铂层56和钛钨合金层58之间，并且在一些情况下用作湿度传感层。介电层62可以被卤化或包括卤化层(例如氟化层)。金垫64a和金垫64b允许对湿度传感器50进行电连接。

图3至图10提供了湿度传感器的另外的实施例。图3是板式湿度传感器30的俯视图，其中为了露出电极层14没有示出湿度传感材料，而图4是沿着线A-A'截取的图3的湿度传感器的示意性横截面侧视图，其图示说明了基材12、电极层14和湿度传感材料16的顺序。图5是在为产生孔而进行的湿度传感材料的附加处理之后的沿着线A-A'截取的图3的湿度传感器的示意性横截面侧视图。在图5中，已经在湿度传感材料16中形成了开口32，以增加湿度传感材料16的孔隙度并因此增加湿度传感材料16的有效表面积。这可以增加湿度传感器的灵敏度。图6是图5的湿度传感器30的俯视图，其图示说明了图5的开口32可以包括在湿度传感材料16内形成的多个孔34。图7是图5的湿度传感器30的另一个俯视图，其图示说明了图5的开口32可以包括在湿度传感材料16内形成的一个或多个细长通道36。

图8是交叉指型湿度传感器40的俯视图，而图9示出了沿着线B-B'截取的图8的交叉指型湿度传感器40的示意性横截面侧视图，其图示说明了基材12、电极层14和湿度传感材料16的顺序。可以看出，在该实施例中，电极层包括两个交叉指型电极。图10是在湿度传感材料16的附加处理之后的图9的交叉指型湿度传感器40的一部分的放大横截面侧视图。在图10中，已经在湿度传感材料16中形成开口42，以增加孔隙率，从而增加湿度传感材料16的有效表面积。这可增加交叉指型湿度传感器的灵敏度。

图11是示出制造湿度传感器(例如湿度传感器10(图1)、湿度传感器30(图3)、湿度传感器40(图8)或湿度传感器50(图2))的说明性方法的流程图。如方框70总体所示，电极层可以形成在基材上。在一些情况下，电极层可以直接形成在基材上，而在其他情况下可以有一个或多个中间层。如方框72总体所示，非卤化聚合物层可以设置在电极层上。在一些情况下，非卤化聚合物层可以是非卤化的聚酰亚胺层。在一些情况下，任选地如方框74所示，可以在非卤化聚合物层内形成多个开口，例如通道、孔或其他空隙空间。

接下来，如方框76总体所示，非卤化聚合物层可以被卤化。在一些情况下，卤化非卤化聚合物层可以包括化学反应和/或热反应，例如在等离子体环境中。在一些情况下，卤化非卤化聚合物材料可包括离子注入方法。在一些情况下，卤化非卤化聚合物材料可以包括氟化非卤化聚合物材料，并且可以例如产生设置在非卤化聚合物材料上的有机氟薄膜。

在一些情况下，湿度传感材料可以包括(除了已经讨论的那些之外)聚合物膜(聚酰亚胺、苯并环丁烯、尼龙等)、有机硅酸盐/酯膜(Si-O-C聚合物、二乙烯基硅氧烷双(苯并环丁烯)等)和/或已被卤化(例如采用氟、氯或溴)的无机膜、和/或涂覆有卤化薄膜，例如全氟化碳或有机氟(C_xF_y)薄膜的无机膜。与使用未经处理的湿度传感材料的湿度传感器相比，通过卤化和/或涂覆湿度传感材料，可以降低湿度传感器的电容和/或电阻滞后效应。总的来说，将湿度传感材料卤化可以使湿度传感材料更具疏水性，因此比较不容易滞后。氟化是一种有利的卤化方法，因为在典型的微电子制造设备中可利用大量的氟源，但是也可以使用氯和溴。在一些情况下，在卤化和/或涂覆湿度传感材料之前，湿度传感材料可以首先被蚀刻或以其他方式处理以增加其有效表面积。预期卤化可以延伸到蚀刻的孔、空穴、沟槽和/或其他蚀刻特征中。

如上所述，湿度传感材料可以包括例如聚酰亚胺、聚对二甲苯、苯并环丁烯、聚醚砜、乙酸丁酸纤维素、聚(甲基丙烯酸甲酯)和/或任何其他合适的湿度传感材料。可以通过改变它们的表面来改善这样的湿度传感材料。在一些情况下，可以通过直接卤化湿度传感材料或通过在湿度传感材料上沉积有机氟(C_xF_y)薄膜来改善湿度传感材料。根据需要，沉积的有机氟薄膜可以是单个单层至多个单层的量级。预期可以使用其他卤化碳(例如卤代烷)来形成疏水性表面。这可以通过化学反应、离子注入和沉积中的一种或组合来实现。

氟与有机湿度传感材料和有机硅酸盐/酯湿度传感材料的化学反应可以采用各种化学物质完成。产生反应性氟的简单方法是在等离子体环境中使用含氟气体，例如F₂、NF₃、无水HF、SiF₄、ClF₃和XeF₂。在一些情况下，这些气体可以与惰性稀释剂(例如Ar、He和N₂)共混以改善氟自由基的产生。大部分的等离子体蚀刻和等离子体化学气相沉积体系控制经处理的基材的温度，以便控制氟和湿度传感材料之间的化学反应。在一些情况下，下游的等离子体可用于消除与湿度传感器的基材的离子相互作用，从而允许纯化学相互作用。还可以采用XeF₂蒸气氟化聚合物膜的表面。例如，SPTS Xactix工具专门为XeF₂反应构建并用于MEMS制造中。

还考虑将氟和氟化物质离子注入湿度传感材料中。对于有机膜而言，可以使用低能量离子来将离子保持在湿度传感材料的表面附近。离子注入机通常使用BF₃注入硼。事实上，BF₂的离子被注入硅中。这可以通过等离子体浸没离子注入来完成。产生低能量离子的一种市售工具是Varian VIISta PLAD。采用被构造为将F-离子或BF_x-离子直接注入湿度传感材料中的其他注入机，也可以获得较高能量的离子。由于这些工具通常处理氟化物质，它们也可以采用(plumbed with)NF₃、SF₆、F₂、HF和SiF₄。在注入后，可以将湿度传感材料在常规炉中退火/热处理，以实现其他的化学反应和氟的扩散。

在等离子体蚀刻和等离子体增强CVD工具中，可以沉积C_xF_y和C_xH_yF_z类型的材料。在合适的条件下，这些物质的沉积采用例如一种或多种以下气体实现：CF₄、C₂F₆、C₄F₈、CHF₃、CH₂F₂、C₃F₈、C₄F₆和C₅F₈。可以包括O₂、He、N₂、Ar、H₂、NF₃、SF₆、XeF₂、ClF₃、F₂、SiF₄和/或HF在内的添加剂和稀释剂可以加入到氟碳化合物气体中，以便改变可用于沉积的化学物质。其他卤化碳可以通过上述方法使用通常在微电子学或MEMS制造设备中发现的其他卤化气体(例如HCl、Cl₂、HBr、ClF₃、HI、BCl₃和BBr₃)形成。在一些情况下，所有三种相互作用可以发生在基于等离子体的工具中。

在本公开内容的一个实施例中，在O₂+F₂等离子体中蚀刻二乙烯基硅氧烷双(苯并环丁烯)(DVS-双-BCB)，这改变了BCB的表面和本体材料性质。优化O₂和F₂的比率可以更好地控制DVS-双-BCB的蚀刻速率和膜厚度。DVS-双-BCB具有良好的粘附性质，并且当暴露于化学清洁剂(例如氨)时，粘附性应优于聚酰亚胺。

应当理解，本公开内容在许多方面仅仅是说明性的。在不超出本公开内容范围的情况下，可以改变特别是形状、尺寸和步骤安排方面的细节。这可以包括，在适当的程度上，将一个示例性实施方案中使用的任何特征用于其他实施方案中。

Claims

1.湿度传感器，其包括：

基材；

由所述基材支撑的电极层，所述电极层限定第一电容板和第二电容板；

与所述电极层相邻的聚酰亚胺湿度传感层，所述聚酰亚胺湿度传感层包括传感表面和厚度，并且还包括在所述传感表面内形成的多个开口以增加所述传感表面的有效表面积；和

被氟化至小于所述聚酰亚胺湿度传感层的厚度的深度的所述聚酰亚胺湿度传感层的传感表面，其产生氟化的传感表面。

2.如权利要求1所述的湿度传感器，其中通过将C_xH_yF_z 等离子体沉积于所述聚酰亚胺湿度传感层上来氟化所述氟化的传感表面，其中x是1-4的整数，y是0-2的整数，z是2-8的整数。

3.如权利要求2所述的湿度传感器，其中所述C_xH_yF_z包含CF₄、C₂F₆、C₄F₈、CHF₃和CH₂F₂中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的湿度传感器，其中所述电极层与所述聚酰亚胺湿度传感层的第一侧相邻，并且多孔铂层与所述聚酰亚胺湿度传感层的第二相对侧相邻，其中所述多孔铂层与所述第一电容板和所述第二电容板组合形成第一电容器和第二电容器。

5.制造湿度传感器的方法，所述方法包括：

在基材上形成电极层；

将非卤化聚合物材料作为湿度传感材料设置在所述电极层上；和

在所述电极层上设置所述非卤化聚合物材料的情况下，卤化所述非卤化聚合物材料以增加所述非卤化聚合物材料对湿度传感滞后的抵抗性。

6.如权利要求5所述的方法，其还包括在卤化所述非卤化聚合物材料之前，在所述非卤化聚合物材料中形成多个开口。

7.如权利要求5所述的方法，其还包括在卤化所述非卤化聚合物材料之前，在所述非卤化聚合物材料中形成多个孔。

8.如权利要求5所述的方法，其中卤化所述非卤化聚合物材料包括离子注入方法或沉积方法。

9.如权利要求5所述的方法，其中卤化所述非卤化聚合物材料包括在所述非卤化聚合物材料上形成有机氟薄膜。