CN113340950A - 一种电容式湿度传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式湿度传感器及其制作方法，具体涉及湿度传感器技术领域，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的衬底、绝缘层、底部电极层、湿敏材料层和上电极层，所述底部电极层的端部边缘处刻蚀出底电极焊盘，所述上电极层的端部边缘处刻蚀出上电极焊盘，所述湿敏材料层采用蛇形排布结构。本发明采用湿敏材料蛇形凸起结构设计，加大外界空气与湿敏材料的接触面积，提高湿敏材料吸湿和脱湿的速度，从而提高湿度传感器的灵敏度、降低响应时间及降低回滞特性，进而满足更高精度的测试要。

Description

一种电容式湿度传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及湿度传感器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种电容式湿度传感器及其制作方法。
背景技术
湿度传感器在航天航空、生物医疗、工农业生产以及大气环境等领域具体广泛的应用，其中部分领域对湿度传感器的动态响应特性，包括灵敏度、回滞特性和响应时间提出了更高的要求。采用MEMS工艺制作的商用湿度传感器根据工作原理主要分为三类：电容式湿度传感器，电阻式湿度传感器和压阻式湿度传感器。压阻式湿度传感器有悬膜或者悬臂梁的可动结构，稳定性较差；电阻式湿度传感器受环境温度影响较大，灵敏度和准确度较差；电容式湿度传感器稳定性高、可靠性好，成为商用湿度传感器的首选类型。
电容式湿度传感器的工作原理是上下电极和中间介质层组成一个电容结构，当环境湿度发生变化，介质吸附或释放水分子，介质层的介电常数变化，从而引起电容变化。然而，由于上电极覆盖吸水介质层，使中间介质层的水分子不易吸附和释放，从而导致传感器灵敏度低，回滞大，响应时间长等不利影响。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种电容式湿度传感器及其制作方法，通过蛇形排布结构的湿敏材料层，增大其与空气接触面积，提高传感器吸收和释放水气的响应速度，从而优化湿度传感器性能，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电容式湿度传感器，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的衬底、绝缘层、底部电极层、湿敏材料层和上电极层，所述底部电极层的端部边缘处刻蚀出底电极焊盘，所述上电极层的端部边缘处刻蚀出上电极焊盘，所述湿敏材料层设置为两层，处于上方的湿敏材料层的横截面设置为蛇形，处于下方的湿敏材料层横截面设置为矩形，所述上电极层横截面和处于上方的湿敏材料层的横截面形状相同设置。
在一个优选地实施方式中，所述上电极层底部与湿敏材料层的上层顶部接触，湿敏材料层的侧壁与空气直接接触。
一种用于电容式湿度传感器的制作方法，具体制备步骤如下：
步骤一：清洗，对单晶硅衬底分别采用丙酮和异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗单晶硅衬底，并将其至于晶圆甩干机中，甩干衬底表面水；
步骤二：热氧化，将步骤一处理得到的单晶硅衬底使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度控制为1000℃-1200℃，生成厚度为200-1200nm 的SiO2薄膜层；
步骤三：添加底电极，在步骤二制备得到的SiO2薄膜层上添加厚度为 100-200nm的底电极材料，按尺寸依次使用光刻和刻蚀，生成底电极层、引线和底电极焊盘；
步骤四：旋涂，将步骤三生成的生成底电极层、引线和底电极焊盘的上表面均全部旋凃湿敏材料，交联固化后，控制湿敏材料的厚度为1-2um，得到原始湿敏材料层；
步骤五：添加上电极，在步骤四完成后的湿敏材料层上添加厚度为 100-200nm的上电极材料，按尺寸依次使用光刻和刻蚀，生成上电极层、引线和上电极焊盘；
步骤六：清除，步骤五完成后，采用氧离子体去除未被上电极层覆盖的湿敏材料，暴露出底电极的引线和底电极焊盘；
步骤七：光刻，步骤六完成后，将上电极预留区域再次光刻，使上电极层(6)刻蚀出蛇形形状；
步骤八：二次清除，将湿敏材料层分为厚度均匀的两层，采用氧离子体去除上层湿敏材料层中未被蛇形上电极层覆盖的部位，上层湿敏材料层中剩余的部位，即蛇形凸起部位，并且露出湿敏材料层的下层，即蛇形凹陷部位。
在一个优选地实施方式中，所述步骤三添加底电极和步骤五中添加上电极时，添加方式选自磁控溅射或者蒸镀中的一种，所述步骤三中底电极材料和步骤五中上电极材料选自Au和Pt等惰性金属材料中的一种。
在一个优选地实施方式中，所述步骤四中湿敏材料可选择如聚酰亚胺。
本发明的技术效果和优点：
传统的电容式湿度传感器外界水气只能与湿敏材料部分表面接触，交换水分子能力十分有限，采用湿敏材料蛇形凸起结构设计，加大外界空气与湿敏材料的接触面积，提高湿敏材料吸湿和脱湿的速度，从而提高湿度传感器的灵敏度、降低响应时间及降低回滞特性，进而满足更高精度的测试要求。
附图说明
图1为本发明提出的电容式湿度传感器的整体结构示意图。
图2为本发明图1中A处结构放大图。
附图标记为：1、衬底；2、绝缘层；3、底部电极层；4、底电极焊盘；5、湿敏材料层；6、上电极层；7、上电极焊盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1-2所示的一种电容式湿度传感器，的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的衬底1、绝缘层2、底部电极层3、湿敏材料层5和上电极层6，底部电极层3的端部边缘处刻蚀出底电极焊盘4，上电极层6的端部边缘处刻蚀出上电极焊盘7，湿敏材料层5设置为两层，处于上方的湿敏材料层5 的横截面设置为蛇形，处于下方的湿敏材料层5横截面设置为矩形，上电极层6横截面和处于上方的湿敏材料层5的横截面形状相同设置，湿敏材料层上下两层增大了外界空气与湿敏材料的接触面积，增大面积主要来源于侧壁部分。
上电极层6底部与湿敏材料层5的上层顶部接触，湿敏材料层5的侧壁与空气直接接触；
参照图1、2，一种用于电容式湿度传感器的制作方法，具体制备步骤如下：
步骤一：清洗，对单晶硅衬底分别采用丙酮和异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗单晶硅衬底，并将其至于晶圆甩干机中，甩干衬底表面水；
步骤二：热氧化，将步骤一处理得到的单晶硅衬底使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度控制为1000℃-1200℃，生成厚度为200-1200nm 的SiO2薄膜层；
步骤三：添加底电极，在步骤二制备得到的SiO2薄膜层上采用磁控溅射或者蒸镀方式来添加厚度为100-200nm的底电极材料，底电极材料选自Au和Pt 等惰性金属材料中的一种，并按尺寸依次使用光刻和刻蚀，生成底电极层3、引线和底电极焊盘4；
步骤四：旋涂，将步骤三生成的生成底电极层3、引线和底电极焊盘4的上表面均全部旋凃湿敏材料，步骤四中湿敏材料可选择如聚酰亚胺，交联固化后，控制湿敏材料的厚度为1-2um，得到原始湿敏材料层；
步骤五：添加上电极，在步骤四完成后的湿敏材料层上采用磁控溅射或者蒸镀方式来添加厚度为100-200nm的上电极材料，上电极材料选自Au和Pt 等惰性金属材料中的一种，并按尺寸依次使用光刻和刻蚀，生成上电极层6、引线和上电极焊盘7；
步骤六：清除，步骤五完成后，采用氧离子体去除未被上电极层6覆盖的湿敏材料，暴露出底电极的引线和底电极焊盘4；
步骤七：光刻，步骤六完成后，将上电极预留区域再次光刻，使上电极层6刻蚀出蛇形形状；
步骤八：二次清除，将湿敏材料层5分为厚度均匀的两层，采用氧离子体去除上层湿敏材料层5中未被蛇形上电极层6覆盖的部位，上层湿敏材料层5中剩余的部位，即蛇形凸起部位，并且露出湿敏材料层5的下层，即蛇形凹陷部位。
该实施方式具体解决了现有技术中存在的传感器灵敏度低，回滞大，响应时间长的问题。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电容式湿度传感器，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的衬底(1)、绝缘层(2)、底部电极层(3)、湿敏材料层(5)和上电极层(6)，所述底部电极层(3)的端部边缘处刻蚀出底电极焊盘(4)，所述上电极层(6)的端部边缘处刻蚀出上电极焊盘(7)，其特征在于：所述湿敏材料层(5)设置为两层，处于上方的湿敏材料层(5)的横截面设置为蛇形，处于下方的湿敏材料层(5)横截面设置为矩形，所述上电极层(6)横截面和处于上方的湿敏材料层(5)的横截面形状相同设置。
2.根据权利要求1所述的一种电容式湿度传感器，其特征在于：所述上电极层(6)底部与湿敏材料层(5)的上层顶部接触，湿敏材料层(5)的侧壁与空气直接接触。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种电容式湿度传感器，其特征在于：一种用于电容式湿度传感器的加工工艺，具体制备步骤如下：
步骤一：清洗，对单晶硅衬底分别采用丙酮和异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗单晶硅衬底，并将其至于晶圆甩干机中，甩干衬底表面水；
步骤二：热氧化，将步骤一处理得到的单晶硅衬底使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度控制为1000℃-1200℃，生成厚度为200-1200nm的SiO2薄膜层；
步骤三：添加底电极，在步骤二制备得到的SiO2薄膜层上添加厚度为100-200nm的底电极材料，按尺寸依次使用光刻和刻蚀，生成底电极层(3)、引线和底电极焊盘(4)；
步骤四：旋涂，将步骤三生成的生成底电极层(3)、引线和底电极焊盘(4)的上表面均全部旋凃湿敏材料，交联固化后，控制湿敏材料的厚度为1-2um，得到原始湿敏材料层；
步骤五：添加上电极，在步骤四完成后的湿敏材料层上添加厚度为100-200nm的上电极材料，按尺寸依次使用光刻和刻蚀，生成上电极层(6)、引线和上电极焊盘(7)；
步骤六：清除，步骤五完成后，采用氧离子体去除未被上电极层(6)覆盖的湿敏材料，暴露出底电极的引线和底电极焊盘(4)；
步骤七：光刻，步骤六完成后，将上电极预留区域再次光刻，使上电极层(6)刻蚀出蛇形形状；
步骤八：二次清除，将湿敏材料层(5)分为厚度均匀的两层，采用氧离子体去除上层湿敏材料层(5)中未被蛇形上电极层(6)覆盖的部位，上层湿敏材料层(5)中剩余的部位，即蛇形凸起部位，并且露出湿敏材料层(5)的下层，即蛇形凹陷部位。
4.根据权利要求3所述的一种电容式湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤三添加底电极和步骤五中添加上电极时，添加方式选自磁控溅射或者蒸镀中的一种，所述步骤三中底电极材料和步骤五中上电极材料选自Au和Pt等惰性金属材料中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种电容式湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤四中湿敏材料可选择如聚酰亚胺。
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