CN114062447A - 应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器及其制备方法 - Google Patents

应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器，所述超薄湿敏传感器的结构从下至上包括：厚度100μm左右的石英衬底；设置在石英衬底一侧的感湿膜层；设置在石英衬底上并与感湿膜层相邻接的转换电路芯片倒装区；用于与外部控制电路板连接的软导线；其中，所述软导线在与感湿膜层、转换电路芯片倒装区相配合的位置上设置有开口；所述石英衬底上设置有与感湿膜层相配合的叉指电极，所述叉指电极、转换电路芯片、软导线通过刻蚀在石英衬底上的连接电路实现连接。本发明提供一种检测低湿度环境的湿敏传感器，可以对无法进入人或者设备的狭小空间内的低湿度环境变化进行检测，适应性更好。

Description

应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器及其制备领域。更具体地说，本发明涉及一种用在检测低湿度环境的超薄湿敏传感器及其制备方法。
背景技术
传感器广泛应用于工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等领域，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面起着重要作用。目前民用的传感器尺寸较大，一般封装后的尺寸为几厘米，大大的限制了其使用范围；而超薄的传感器的体积更小，使用范围广，且利于多种传感器的集成协作。
同时现有的传感器感湿灵敏度达不到使用要求，对于远距离、无法进入(人或者设备)的狭小空间内的进行低湿度环境检测，适应性差。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种超薄湿敏传感器，所述超薄湿敏传感器的结构从下至上包括：
厚度100μm左右的石英衬底；
设置在石英衬底一侧的感湿膜层；
设置在石英衬底上并与感湿膜层相邻接的转换电路芯片倒装区；
用于与外部控制电路板连接的软导线；
其中，所述软导线在与感湿膜层、转换电路芯片倒装区相配合的位置上设置有开口；
所述石英衬底上设置有与感湿膜层相配合的叉指电极，所述叉指电极、转换电路芯片、软导线通过刻蚀在石英衬底上的连接电路实现连接。
一种如应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器及其制备方法，包括：
步骤一，根据传感器设计的需求和转换电路芯片上引脚的位置、尺寸，在石英衬底上通过光刻技术制备叉指电极、连接电路以及转换电路芯片各引脚相配合的焊盘图形区；
步骤二，用光刻技术，在叉指电极上制备感湿膜；
步骤三，利用植金球工艺将转换电路芯片倒装封装在焊盘图形区；
步骤四，将软导线上的开口与感湿膜、电路转换芯片所在的位置相配合，通过焊接的方式将软导线固定在石英衬底上，使软导线与连接电路导通。
优选的是，在步骤一中，在对石英衬底进行光刻时，要将叉指电极的整体长宽配置为1cm*2cm，每根叉指的宽度配置为2μm，叉指之间的间距配置为2μm；
转换电路芯片的尺寸选型长配置为长1cm，宽2cm。
优选的是，在步骤一中，所述光刻技术采用镀钛金的方式以实现，其中Ti的厚度配置为20nm，Au的厚度为500nm。
优选的是，在步骤二中，在叉指电极上制备完感湿膜后，将具有感湿膜的石英衬底进行氧等离子处理，且在处理过程中，将处理的气压设置为10Pa，功率配置为100W，处理时间控制为4分钟。
优选的是，在步骤二中，所述感湿膜的制备方法被配置为包括：
S1，设置与叉指电极相配合的光刻掩膜版，将石英衬底除叉指电极的位置进行遮挡；
S2、利用光刻技术，将光敏性聚酰亚胺酸前驱物覆盖到叉指电极区域完成匀胶操作；
S3，对匀胶处理后的叉指电极区域进行曝光、显影、固化处理；
其中，在S2中，对叉指电极进行光敏性聚酰亚胺酸匀胶处理时，其匀胶速度在前30s控制在600r/min，后60s的匀胶速度控制在3000r/min，控制匀胶后的湿膜层厚度为4μm。
优选的是，在S3中，所述固化过程为将显影处理后的石英衬底放入管式炉中，并在向管式炉中充氮气保护状态下，通过多个固化区间完成固化操作后，经过自然冷却后取出；
其中，所述固化区间被配置为包括：
第一预固化区间为在60℃下固化处理2h；
第二预固化区间为在150℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在180℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在250℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在300℃下固化处理1h。
优选的是，所述软导线的厚度被配置为小于100μm，宽度为0.5cm，以使超薄湿敏传感器的大小控制在长3cm，宽3cm，高度500μm。
优选的是，在步骤三中，利用金丝球焊设备，在焊盘图形区的每个焊盘上制备出金球，金球的直径配置为与转换芯片上得引脚尺寸相配合，以通过超声热压的方式将电路转换芯片倒装到石英衬底上。
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供一种检测低湿度环境的湿敏传感器，可以对1％RH～10％RH的环境湿度做出响应。同时为了满足检测一些远距离、无法进入(人或者设备)的狭小空间内的低湿度环境变化需求，本发明从传感器设计到封装中过程中对器件尺寸进行了压缩，在探测功能部分做了最小程度的集成，保证了传感器的探测能力，又不至于增大探测部件的尺寸。
其二，本发明提供一种超薄湿敏传感器的制备方法，其通过对工艺的限定，增加薄膜表面的活性，使得其性能稳定，低湿条件下的灵敏度高，同时结构布局合理、传感器尺寸可控性好，能满足特定场景下的应用需要，进一步通过部件选型与工艺相配合，使得本发明的超薄结构传感器厚度大大减小，同时有利于大规模生产，从而满足更多应用需求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中超薄湿敏传感器封装前端的截面结构示意图；
图2为本发明石英衬底光刻后叉指电极、连接电路、焊盘图形区的分布示意图；
图3为本发明传感器结构及封装平面示意图；
图4为本发明采用光刻工艺制备叉指电极表面感湿膜时掩膜板与石英衬底配合的爆炸结构示意图；
图5为本发明与石英衬底配合部分的软导线结构示意图；
图6为本发明软导线的封装焊接的焊盘分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1-6示出了根据本发明的一种超薄湿敏传感器的实现形式，所述超薄湿敏传感器的结构从下至上包括：
厚度100μm左右的石英衬底1；
设置在石英衬底一侧的感湿膜层2；
设置在石英衬底上并与感湿膜层相邻接的转换电路芯片3倒装区4；
用于与外部控制电路板(未示出)连接的软导线5，外部控制电路板用于设置转换电路芯片的参数和校准；
其中，所述软导线在与感湿膜层、转换电路芯片倒装区相配合的位置上设置有开口6；
所述石英衬底上设置有与感湿膜层相配合的叉指电极7，所述叉指电极、转换电路芯片、软导线通过刻蚀在石英衬底上的连接电路8实现连接，在这种方案中，湿度感应部分从下至上依次由超薄石英衬底(厚度100μm左右)、Au金属叉指电极和聚酰亚胺成分的湿度检测材料组成，通过结构布局的合理设计，使得传感器的整体厚度为长3厘米，宽3厘米，高度500微米左右，即0.5㎜，可以应用于无法进入人或者设备的狭小空间内进行低湿度环境变化检测，适应性更强。
如图2，一种如应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器及其制备方法，包括：
步骤一，根据传感器设计的需求和转换电路芯片上引脚的位置、尺寸，在石英衬底上通过光刻技术制备叉指电极、连接电路以及转换电路芯片各引脚相配合的焊盘图形区9，叉指电极的梳齿交错分布，表面涂覆有聚酰亚胺成分的湿度检测材料，根据传感器设计的需求和转换电路芯片上引脚的位置和尺寸，设计相应叉指电极尺寸、间距和焊盘的位置，通过光刻技术，在超薄石英片上镀钛金，将叉指电极的图形和转换电路的焊盘图形刻印在超薄石英衬底上；
步骤二，用光刻技术，在叉指电极上制备感湿膜，探测机理是利用检测材料与水分子结合，改变材料的电容值；
步骤三，利用植金球工艺将转换电路芯片倒装封装在焊盘图形区，为了避免环境对信号的干扰，将转换电路芯片(电容信号转换为数字信号)倒装在叉指电极旁边；
步骤四，将软导线上的开口与感湿膜、电路转换芯片所在的位置相配合，通过焊接的方式将软导线固定在石英衬底上，使软导线与连接电路导通，软导线封装引线工艺，通过软线前端的镂空设计，是为了尽可能的降低探测区域的厚度尺寸，封装方式为锡膏焊接，该种封装效果使其在不影响湿度探测的情况下，对前端进行了超薄制备和封装，保证设备使用的稳定性。在完成封装后，通过软线为传感器前端提供电源，并对转换电路芯片进行控制，电容传感器信号直接出入转换电路芯片，经过处理变为数字信号，软件经过转换可与电脑连接，利用芯片的控制软件进行标定，将不同湿度下的电容值存储起来。
在另一种实例中，在步骤一中，在对石英衬底进行光刻时，要将叉指电极的整体长宽配置为1cm*2cm，每根叉指的宽度配置为2μm，叉指之间的间距配置为2μm；
转换电路芯片的尺寸选型长配置为长1cm，宽2cm，通过这种尺寸控制，使得排布好焊盘后整体的尺寸为长3厘米，宽3厘米，有效控制传感器的整体厚度和大小。
在另一种实例中，在步骤一中，所述光刻技术采用镀钛金的方式以实现，其中Ti的厚度配置为20nm，Au的厚度为500nm。
在另一种实例中，在步骤二中，在叉指电极上制备完感湿膜后，将具有感湿膜的石英衬底进行氧等离子处理，且在处理过程中，将处理的气压设置为10Pa，功率配置为100W，处理时间控制为4分钟，在这种方案中为了提高低湿条件下的灵敏度，将固化后的器件进行氧等离子处理，(气压为10Pa,功率为100W，时间4分钟)，增加薄膜表面的活性。
如图4，在另一种实例中，在步骤二中，所述感湿膜的制备方法被配置为包括通过匀胶，曝光，显影，固化工艺，具体包括：
S1，设置与叉指电极相配合的光刻掩膜版10，将石英衬底除叉指电极的位置进行遮挡，而光刻掩膜版上设置有可供叉指电极显示出来的缺口11；
S2、利用光刻技术，将光敏性聚酰亚胺酸前驱物覆盖到叉指电极区域完成匀胶操作，采用光敏性聚酰亚胺酸前驱物使得传感器可对1％RH～10％RH的环境湿度做出响应；
S3，对匀胶处理后的叉指电极区域进行曝光、显影、固化处理；
其中，在S2中，对叉指电极进行光敏性聚酰亚胺酸匀胶处理时，其匀胶速度在前30s控制在600r/min，后60s的匀胶速度控制在3000r/min，控制匀胶后的湿膜层厚度为4μm，在本方案中通过各工艺步骤进行限定，使得其能与工业生产相配合，同时匀胶处理效果满足使用需要。
在另一种实例中，在S3中，所述固化过程为将显影处理后的石英衬底放入管式炉中，并在向管式炉中充氮气保护状态下，通过多个固化区间完成固化操作后，经过自然冷却后取出，固化后感湿膜的厚度约4微米；
其中，所述固化区间被配置为包括：
第一预固化区间为在60℃下固化处理2h；
第二预固化区间为在150℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在180℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在250℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在300℃下固化处理1h，在方案中，通过对固化工艺进行限定，使得固化期间不会对材料改性，减小其对性能的损害，设备后期的感湿效果满足使用需要。
在另一种实例中，所述软导线的厚度被配置为小于100μm，宽度为0.5cm，以使超薄湿敏传感器的大小控制在长3cm，宽3cm，高度500μm，即0.5㎜，满足特殊场景的应用需要。
如图1-2，在另一种实例中，在步骤三中，利用金丝球焊设备，在焊盘图形区的每个焊盘12上制备出金球13，金球的直径与转换芯片上得引脚尺寸接近，约60微米，以通过超声热压的方式将电路转换芯片倒装到石英衬底上，聚酰亚胺材质的软导线，内部为铜线，将软导线厚度控制在100维秘以下，宽度为0.5cm。长度根据需求可以设计为几十厘米到一米以上以降低传感器的厚度，保证其在特殊应用场景的使用需要。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种应用于低湿度环境的超薄湿敏传感器，其特征在于，所述超薄湿敏传感器的结构从下至上包括：
厚度100μm左右的石英衬底；
设置在石英衬底一侧的感湿膜层；
设置在石英衬底上并与感湿膜层相邻接的转换电路芯片倒装区；
用于与外部控制电路板连接的软导线；
其中，所述软导线在与感湿膜层、转换电路芯片倒装区相配合的位置上设置有开口；
所述石英衬底上设置有与感湿膜层相配合的叉指电极，所述叉指电极、转换电路芯片、软导线通过刻蚀在石英衬底上的连接电路实现连接。
2.一种制备如权利要求1所述超薄湿敏传感器方法，其特征在于，包括：
步骤一，根据传感器设计的需求和转换电路芯片上引脚的位置、尺寸，在石英衬底上通过光刻技术制备叉指电极、连接电路以及转换电路芯片各引脚相配合的焊盘图形区；
步骤二，用光刻技术，在叉指电极上制备感湿膜；
步骤三，利用植金球工艺将转换电路芯片倒装封装在焊盘图形区；
步骤四，将软导线上的开口与感湿膜、电路转换芯片所在的位置相配合，通过焊接的方式将软导线固定在石英衬底上，使软导线与连接电路导通。
3.如权利要求2所述的超薄湿敏传感器制备方法，其特征在于，在步骤一中，在对石英衬底进行光刻时，要将叉指电极的整体长宽配置为1cm*2cm，每根叉指的宽度配置为2μm，叉指之间的间距配置为2μm；
转换电路芯片的尺寸选型长配置为长1cm，宽2cm。
4.如权利要求2所述的超薄湿敏传感器制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述光刻技术采用镀钛金的方式以实现，其中Ti的厚度配置为20nm，Au的厚度为500nm。
5.如权利要求2所述的超薄湿敏传感器制备与封装方法，其特征在于，在步骤二中，在叉指电极上制备完感湿膜后，将具有感湿膜的石英衬底进行氧等离子处理，且在处理过程中，将处理的气压设置为10Pa，功率配置为100W，处理时间控制为4分钟。
6.如权利要求2所述的超薄湿敏传感器制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述感湿膜的制备方法被配置为包括：
S1，设置与叉指电极相配合的光刻掩膜版，将石英衬底除叉指电极的位置进行遮挡；
S2、利用光刻技术，将光敏性聚酰亚胺酸前驱物覆盖到叉指电极区域完成匀胶操作；
S3，对匀胶处理后的叉指电极区域进行曝光、显影、固化处理；
其中，在S2中，对叉指电极进行光敏性聚酰亚胺酸匀胶处理时，其匀胶速度在前30s控制在600r/min，后60s的匀胶速度控制在3000r/min，控制匀胶后的湿膜层厚度为4μm。
7.如权利要求6所述的超薄湿敏传感器制备方法，其特征在于，在S3中，所述固化过程为将显影处理后的石英衬底放入管式炉中，并在向管式炉中充氮气保护状态下，通过多个固化区间完成固化操作后，经过自然冷却后取出；
其中，所述固化区间被配置为包括：
第一预固化区间为在60℃下固化处理2h；
第二预固化区间为在150℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在180℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在250℃下固化处理1h；
第二预固化区间为在300℃下固化处理1h。
8.如权利要求2所述的超薄湿敏传感器制备方法，其特征在于，所述软导线的厚度被配置为小于100μm，宽度为0.5cm，以使超薄湿敏传感器的大小控制在长3cm，宽3cm，高度500μm。
9.如权利要求2所述的超薄湿敏传感器制备方法，其特征在于，在步骤三中，利用金丝球焊设备，在焊盘图形区的每个焊盘上制备出金球，金球的直径配置为与转换芯片上得引脚尺寸相配合，以通过超声热压的方式将电路转换芯片倒装到石英衬底上。
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