CN108955929B - 一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法、传感器及工作方法 - Google Patents

一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法、传感器及工作方法 Download PDF

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Abstract

一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法、传感器及工作方法，属于传感器技术领域。技术要点：利用原位生长的多孔Al2O3陶瓷作为湿度单元敏感体，同时，湿度单元敏感体兼顾作为温度单元基底；温度敏感电阻采用厚膜丝网印刷工艺制备，温度敏感电阻兼顾作为湿度单元的热净化器；温度单元和湿度单元电极的引出线采用金浆烧工艺制得；多孔Al2O3陶瓷浸渍表面修饰剂；集成芯片采用储能点焊工艺焊接的4脚基座上，管帽采用防水透气膜封装。该传感器芯体具有纳米管阵列结构特征，在大气条件下，可实现对环境中的温度和湿度进行检测。实现传感器温度与湿度检测单元的集成化，提高各功能部件的复用，最大限度降低功能部件的数量。

Description

一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法、传 感器及工作方法
技术领域
本发明涉及一种传感器、工作方法及其制备方法，具体涉及一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法、传感器及工作方法，属于传感器技术领域。
背景技术
生活和生产离不开温度和湿度的测量与控制，农业生产以及工业制造中的不良品与环境潮湿有一定的相关性。特别是对于电子工业，潮湿的危害已经成为影响电子产品质量的主要因素之一，如集成电路、液晶器件、硅晶片、电子器件等，在高湿度环境下存储时间过长，焊盘和芯片引脚表面产生氧化导致接触不良并发生故障，环境温湿度检测已显得十分必要。
传统的温湿度集成传感器只是将温度敏感单元和湿度敏感单元集中到一个芯片上，相互之间有明显的物理空间分界，其优点是各敏感单元检测功能独立，其中一个失效对另一个敏感单元不产生影响。
申请号CN201610176618.2,涉及一种基于氧化石墨烯的温湿度传感器，包括：衬底；以及并列设置于所述衬底上的第一测量单元和第二测量单元；所述第一测量单元包括设置在所述衬底表面的第一电极和覆盖所述第一电极的第一温湿度感应层；所述第二测量单元包括设置于所述衬底表面的第二电极、覆盖所述第二电极的第二温湿度感应层和覆盖所述第二温湿度感应层的阻水膜。
申请号CN201510271756.4，公开了一种无线无源MEMS温湿度集成传感器，该传感器包括衬底，在衬底的中部形成工字型镂空，在衬底下方正中位置设空腔，将衬底正对空腔的区域称为空腔区域，周侧的其他区域称为侧壁区域,工字型镂空位于空腔区域,形成内突的左侧横向自由面和右侧横向自由面，左侧横向自由面和右侧横向自由面与侧壁区域分别形成左侧悬臂梁结构和右侧悬臂梁结构。
申请号CN201620737570.3，公开了多个气敏单元、温敏单元和湿敏单元均集成在一个N型单晶硅片上，相邻两个单元之间均设置有横截面为矩形的第二级隔热通孔，每个气敏单元中，每相邻两根电极引线之间均设置有横截面为梯形的第一级隔热通孔，所述矩形和梯形的四个角均采用圆弧过渡。
申请号CN201510512421.7，公开了一种基于氧化石墨烯的柔性集成温湿度传感器，包括柔性基板、下金属电极、第一氧化石墨烯层、第一金属电极、第二金属电极和第二氧化石墨烯层；柔性基板固定连接在下金属电极的上表面,柔性基板中设有通孔；第一氧化石墨烯层位于柔性基板的通孔中,且第一氧化石墨烯层充满柔性基板的通孔；第一金属电极和第二金属电极分别与柔性基板的上表面相连接,第一金属电极和第二金属电极之间有间隙,第二氧化石墨烯层连接在第一金属电极和第二金属电极的上表面,且延伸到第一金属电极和第二金属电极之间的间隙中，与柔性基板的上表面连接。
上述专利申请记载的温湿度集成传感器，共同点是：在同一片基片上分别制作湿度单元和温度单元，湿度单元具有在基片上制作敏感湿度材料的特点，温度与湿度单元没有功能交叉部分，存在传感器用材料多，部件功能无法复用，传感器的可靠性差的弊端。因此，亟待设计一种全新的温湿度集成传感器的解决方案，其主要特征是：湿度单元敏感体兼顾作为温度单元基底，温度敏感电阻兼顾作为湿度单元的热净化器，集成传感器用材料少，部件功能复用，传感器的可靠性高。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明针对上述问题；提供了一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法、传感器及工作方法，实现传感器温度与湿度检测单元的集成化，提高各功能部件的复用，最大限度降低功能部件的数量，解决传统“温湿度集成传感器”功能部件过多引起的工艺复杂度，旨在利用简化的原则提高传感器的可靠性。
方案一：本发明提供了一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，具体步骤为：
步骤一、利用原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料作为湿度单元敏感体，同时作为温度单元基底，通过微加工技术加工成集成传感器微结构载体，同时形成电极过孔；
步骤二、采用丝网印刷工艺在集成传感器微结构载体的一面制作温度单元敏感电极，温度单元敏感电极同时作为湿度单元净化器，高温烧结；
步骤三、采用丝网印刷工艺在集成传感器微结构载体的另一面制作湿度单元叉指电极，高温烧结，形成敏感芯片；
步骤四、利用金浆将温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线烧结到敏感芯片的电极过孔处的焊盘上；
步骤五、利用储能焊机，将温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线焊接到4脚基座的管腿上；
步骤六、将敏感芯片浸渍表面修饰剂，通电高温处理，形成芯片载体感湿表面修饰材料；
步骤七、将上述组装在4脚基座上的敏感芯片，用带防水透气膜的标准管壳封装，形成温湿度集成传感器。
进一步地，所述步骤一中，原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料，孔洞尺寸在150nm～250nm范围内。
进一步地，所述步骤二、三中，在集成传感器微结构载体表面利用厚膜丝网印刷铂厚膜，热处理温度在900℃～1000℃范围内、形成温度单元敏感电极，冷态阻值范围15Ω～20Ω；在温度单元敏感电极的对面印刷湿敏单元插指电极，热处理温度在900℃～1000℃范围内。
进一步地，所述步骤二、三中，可以采用光刻掩模和湿法刻蚀法制作温度单元敏感电极和湿度单元叉指电极，形成传感器微结构芯片。
进一步地，所述步骤六中，在传感器原位生长载体纳米孔内进行修饰，利用浸渍正硅酸乙酯和磷酸钍盐的稀溶液，在富氧条件下热分解制得二氧化硅稳定化大分子磷酸钍修饰。
方案二：本发明提供了一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器，包括敏感芯片、4脚基座和管壳；所述敏感芯片包括原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料的集成传感器微结构载体，集成传感器微结构载体作为湿度单元敏感体，同时也作为温度单元基底，集成传感器微结构载体上加工有电极过孔，集成传感器微结构载体一面制作温度单元敏感电极，温度单元敏感电极同时作为湿度单元净化器，集成传感器微结构载体的另一面制作湿度单元叉指电极；温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线烧结到敏感芯片的电极过孔处的焊盘上，温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线焊接到4脚基座的管腿上，敏感芯片置于管壳内。
本发明的方案二所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器是基于方案一所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法制得的。
方案三：本发明提供了一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的工作方法，具体为：先检测温度单元敏感电极阻值，进而检测出温湿度集成传感器所处环境的温度；然后给温度单元敏感电极加载电流，使温湿度集成传感器的氧化铝载体温度达到350℃～550℃，热净化氧化铝载体；载体冷却到所处环境温度时检测湿度单元叉指电极间电阻，换算出环境湿度，进而实现湿度测量。
本发明的方案三所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的工作方法是基于方案一及方案二实现的。
有益效果：
本发明提出了一种全新的温湿度集成传感器的解决方案，湿度单元敏感体兼顾作为温度单元基底，温度敏感电阻兼顾作为湿度单元的热净化器，集成传感器用材料少，部件功能复用，传感器的可靠性高。
本发明的传感器可用于对环境温度和湿度进行高精度的检测，通过温度敏感电阻通电加热方式，实现对感湿载体的热净化，利用插指电极检测载体多孔内湿度产生的阻值，并通过标定实现对环境湿度的检测。温度检测原理利用厚膜金属铂的电阻率温度效应来实现的，传感器芯片封装在一个通气管壳内，形成具有检测的环境温度和湿度的集成传感器。
另外，该传感器的载体具有纳米管阵列结构，因而具有较大的比表面积，使得传感器对湿度灵敏度有较高的灵敏度；同时修饰所形成的二氧化硅稳定化大分子磷酸钍修饰多孔感湿结构，可大大提高传感器的长期稳定性，是目前传感器稳定性的2倍。
附图说明
图1是温湿度集成传感器制作工艺流程图；
图2是温湿度集成敏感芯片分解图；
图3是芯片正面的温度敏感单元示意图；
图4是芯片反面的湿度敏感单元示意图；
图5是温湿度集成芯片组装示意图。
图中：温度单元敏感电极1；集成传感器微结构载体2；湿度单元叉指电极3；温度敏感单元引线4；湿度敏感单元引线7；敏感芯片8；4脚基座9。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，具体步骤为：
步骤一、利用原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料作为湿度单元敏感体，同时作为温度单元基底，通过微加工技术加工成集成传感器微结构载体，同时形成电极过孔；
步骤二、采用丝网印刷工艺在集成传感器微结构载体的一面制作温度单元敏感电极，温度单元敏感电极同时作为湿度单元净化器，高温烧结；
步骤三、采用丝网印刷工艺在集成传感器微结构载体的另一面制作湿度单元叉指电极，高温烧结，形成敏感芯片；
步骤四、利用金浆将温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线烧结到敏感芯片的电极过孔处的焊盘上；
步骤五、利用储能焊机，将温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线焊接到4脚基座的管腿上；
步骤六、将敏感芯片浸渍表面修饰剂，通电高温处理，形成芯片载体感湿表面修饰材料；
步骤七、将上述组装在4脚基座上的敏感芯片8，用带防水透气膜的标准管壳封装，形成温湿度集成传感器。
更具体地：所述步骤一中，原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料，孔洞尺寸在150nm～250nm范围内。
更具体地：所述步骤二、三中，在集成传感器微结构载体表面利用厚膜丝网印刷铂厚膜，热处理温度在900℃～1000℃范围内、形成温度单元敏感电极，冷态阻值范围15Ω～20Ω；在温度单元敏感电极的对面印刷湿敏单元插指电极，热处理温度在900℃～1000℃范围内。
更具体地：所述步骤二、三中，可以采用光刻掩模和湿法刻蚀法制作温度单元敏感电极和湿度单元叉指电极，形成传感器微结构芯片。
更具体地：所述步骤六中，在传感器原位生长载体纳米孔内进行修饰，利用浸渍正硅酸乙酯和磷酸钍盐的稀溶液，在富氧条件下热分解制得二氧化硅稳定化大分子磷酸钍修饰。
实施例2：本发明的实施例2所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器，是基于实施例1所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法获得的，传感器包括敏感芯片、4脚基座9和管壳；所述敏感芯片包括原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料的集成传感器微结构载体，集成传感器微结构载体2作为湿度单元敏感体，同时也作为温度单元基底，集成传感器微结构载体2上加工有电极过孔，集成传感器微结构载体一面制作温度单元敏感电极1，温度单元敏感电极同时作为湿度单元净化器，集成传感器微结构载体2的另一面制作湿度单元叉指电极3；温度敏感单元引线4及湿度敏感单元引线7烧结到敏感芯片的电极过孔处的焊盘上，温度敏感单元引线4及湿度敏感单元引线7焊接到4脚基座9的管腿上，敏感芯片置于管壳内。
实施例3：本发明的实施例3是基于实施例2所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的使用方法，具体为：先检测温度单元敏感电极阻值，进而检测出温湿度集成传感器所处环境的温度；然后给温度单元敏感电极加载电流，使温湿度集成传感器的氧化铝载体温度达到350℃～550℃，热净化氧化铝载体；载体冷却到所处环境温度时检测湿度单元叉指电极间电阻，换算出环境湿度，进而实现湿度测量。
本发明在制备方法上、结构设计上和构成传感器的部件功能上与背景技术中记载的专利申请存在区别与不同。本发明提出了一种全新的温湿度集成传感器的解决方案，其主要特征是：湿度单元敏感体兼顾作为温度单元基底，温度敏感电阻兼顾作为湿度单元的热净化器，集成传感器用材料少，部件功能复用，传感器的可靠性高。
氧化铝载体温湿度集成传感器的原理和用途：本专利涉及的传感器可用于对环境温度和湿度进行高精度的检测，通过温度敏感电阻通电加热方式，实现对感湿载体的热净化，利用插指电极检测载体多孔内湿度产生的阻值，并通过标定实现对环境湿度的检测。温度检测原理利用厚膜金属铂的电阻率温度效应来实现的，传感器芯片封装在一个通气管壳内，形成具有检测的环境温度和湿度的集成传感器。
本发明温湿度集成传感器的有益效果是：该传感器的载体具有纳米管阵列结构，因而具有较大的比表面积，使得传感器对湿度灵敏度有较高的灵敏度；同时修饰所形成的二氧化硅稳定化大分子磷酸钍修饰多孔感湿结构，可大大提高传感器的长期稳定性，是目前传感器稳定性的2倍。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一、利用原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料作为湿度单元敏感体，同时作为温度单元基底，通过微加工技术加工成集成传感器微结构载体，同时形成电极过孔；
步骤二、采用丝网印刷工艺在集成传感器微结构载体的一面制作温度单元敏感电极，温度单元敏感电极同时作为湿度单元净化器，高温烧结；
步骤三、采用丝网印刷工艺在集成传感器微结构载体的另一面制作湿度单元叉指电极，高温烧结，形成敏感芯片；
步骤四、利用金浆将温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线烧结到敏感芯片的电极过孔处的焊盘上；
步骤五、利用储能焊机，将温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线焊接到4脚基座的管腿上；
步骤六、将敏感芯片浸渍表面修饰剂，通电高温处理，形成芯片载体感湿表面修饰材料；
步骤七、将上述组装在4脚基座上的敏感芯片，用带防水透气膜的标准管壳封装，形成温湿度集成传感器。
2.根据权利要求1所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤一中，原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料，孔洞尺寸在150nm～250nm范围内。
3.根据权利要求1所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤二、三中，在集成传感器微结构载体表面利用厚膜丝网印刷铂厚膜，热处理温度在900℃～1000℃范围内、形成温度单元敏感电极，冷态阻值范围15Ω～20Ω；在温度单元敏感电极的对面印刷湿度单元叉指电极，热处理温度在900℃～1000℃范围内。
4.根据权利要求1所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤二、三中，采用光刻掩模和湿法刻蚀法制作温度单元敏感电极和湿度单元叉指电极，形成传感器微结构芯片。
5.根据权利要求1所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤六中，在传感器原位生长载体纳米孔内进行修饰，利用浸渍正硅酸乙酯和磷酸钍盐的稀溶液，在富氧条件下热分解制得二氧化硅稳定化大分子磷酸钍修饰。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的制造方法获得的原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器，其特征在于：包括敏感芯片、4脚基座和管壳；所述敏感芯片包括原位生长的Al2O3多孔膜状陶瓷材料的集成传感器微结构载体，集成传感器微结构载体作为湿度单元敏感体，同时也作为温度单元基底，集成传感器微结构载体上加工有电极过孔，集成传感器微结构载体一面制作温度单元敏感电极，温度单元敏感电极同时作为湿度单元净化器，集成传感器微结构载体的另一面制作湿度单元叉指电极；温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线烧结到敏感芯片的电极过孔处的焊盘上，温度敏感单元引线及湿度敏感单元引线焊接到4脚基座的管腿上，敏感芯片置于管壳内。
7.一种基于权利要求6所述的一种原位生长氧化铝载体温湿度集成传感器的使用方法，其特征在于：具体为：先检测温度单元敏感电极阻值，进而检测出温湿度集成传感器所处环境的温度；然后给温度单元敏感电极加载电流，使温湿度集成传感器的氧化铝载体温度达到350℃～550℃，热净化氧化铝载体；载体冷却到所处环境温度时检测湿度单元叉指电极间电阻，换算出环境湿度，进而实现湿度测量。
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