TW200819739A - Miniatured humidity sensor having a non-coplanar electrode and moisture entry/exit - Google Patents
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200819739 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種濕度感測器,詳言之,係關於一種具 不共平面電極及水氣進出口之微型濕度感測器。 【先前技術】 一般濕度感測器之高分子材料需具備低介電常數(約3至 4之間)與高電阻之特性。由於水的介電常數約為78,當水 分子進該高分子材料後,整體介電常數值將隨著環境濕度 增加,故該習知電容式微型濕度感測器之電容值隨相對濕 度升高而增加。常見的電容式濕度感測材料有聚對苯二曱 二乙酯(PETT,polyethylenetere phthalate)、六甲笨二醚(HMDS〇, hexamethyldisiloxane)、聚甲基丙烯酸甲酯(pMMA, PGlymethylmethacrylate)、聚苯乙烯磺酸鈉(p〇lystyrene sulfQnie sodium)和常見的聚亞醯胺(Polyimide )等,該等高分子材料皆 含有羥基(-OH)、醚基〇〇-)、胺基(_NH2)、聯胺基(>NH)、 石戸、酸基(-S03H)和硫基(_S02-)作為吸附水分子的官能基。 請參閱圖1,其顯示習知電容式濕度感測器之示意圖。 該電容式微型濕度感測器1包括一基板U、一第一電極層 12、一介電層13及一第二電極層14。該第一電極層12設置 於該基板11上,該第一電極層12具有複數個第一電極 121。該介電層13覆蓋該基板11及該第一電極層12。該第 二電極層14設置於該介電層13上,該第二電極層14具有複 數個第二電極141,該等第二電極141與該等第一電極121 相對地設置。 115236.doc 200819739 由於該習知濕度感測器1之該介電層13為疏水性高分子 材料,水分子易於其内凝聚而有遲滯現象,且疏水性材料 通常和有機溶劑或揮發物有很好之親和力,因此對濕度之 感測影響甚大。並且,因為該等第二電極141與該等第— 電極121相對地設置,會使得濕度感測之靈敏度、感測線 性度、穩定性、精確度及反應速度表現不佳。
因此,有必要提供一種創新且具進步性之具不共平面電 極及水氣進出口之微型濕度感測器,以解決上述問題。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種具不共平面電極及水氣進出 口之微型濕度感測益。該微型濕度感測器包括一基板、〜 第-電極層、一第一介電層、一第二電極層及一第二介電 層。該第一電極層設置於該基板上,該第一電極層具有— 第-接端及複數個第一電極。該第一介電層覆蓋部;該基 板及該等第—電極且顯露該第—接端。該第二電極層設置 於該第-介電層上’具有一第二接端及複數個第二電極, 於空間上’該等第二電極與該等第—電極係交錯地設置。 該第二介電層覆蓋該等第二電極,且顯露該第二接端,該 弟二介電層具有複數個第—水氣進出口,該等第—水氣進 出口係分別形成於該等第-電極上之相對位置。 本發明之該微型濕度感測器利用低介電t數之該第一介 :層及該第二介電層作為電容感應層及該 :'…,該第一介電層及該第二介電層具有低介電; 回耐熱性、抗巾讀性、抗化學腐綠、尺寸安定性、 115236.doc 200819739 - 極佳階梯覆蓋性等優良特性,因此在微電子與微機電系统 ·- 領域的應用非常廣泛。 再者’該等第一水氣進出口係分別形成於該等第一電極 上之相對位置,且該等第一水氣進出口係分別形成於該等 第二電極之間,且該第一電極層及該第二電極層為不共平 面’可使得該微型濕度感測器於進行濕度之量測時,具有 較佳的濕度感測靈敏度、極高的感測線性度、極低的遲滯 • 效應、優良的穩定性、極佳的精確度及高反應速度。 【實施方式】 請參閱圖2,其顯示本發明具不共平面電極及水氣進出 之微i濕度感/則器2。该微型濕度感測器2包括一基板 21、一第一電極層22、、一第一介電層23、一第二電極層 24及一第二介電層25。該基板21可為一矽基板,例如該矽 基板21可為一 P型矽基板,或者,該基板21亦可為一印刷 包路板。在該實施例中,該基板21包括一矽層2丨丨及二層 • &化層212、213,該等氡化層212、213分別形成於該石夕層 211之二相對表面,其中,該等氧化層212 '213之材質係 為二氧化矽。 配e參考圖2、圖3及圖4,該第一電極層22設置於該基 板21上,該第一電極層22具有複數個第一電極1及一第 一接端222。在該實施例中,該等第一電極221與該第一接 端222電性連接,並呈梳狀。該第一介電層23覆蓋部分該 . 基板21及該等第一電極U1且顯露該第一接端222。 ’ 該第二電極層24設置於該第一介電層23上,該第二電極 115236.doc 200819739 : $24具有複數個第二電極⑷及-第二接端242,在該實施 ' 例中,該等第二電極241與該第二接端242電性連接,並呈 梳狀,於空間上,該等第二電極241與該等第一電極221係 交錯地設置。該第-接端222及㈣二接端⑷係用以電性 連接至一外部電源。該第一電極層22及該第二電極層Μ之 材質係選自紹、銅、鉻或金等金屬。在該實施例中,該第 電接層22及該第二電極層24之材質係為銘,而銘具有導 • 冑性佳及延展性佳之特性,且紹為取得容易之金屬材質。 該第二介電層25覆蓋該等第二電極241,且顯露該第二 接端242,該第二介電層25具有複數個第一水氣進出口 251,用以使水氣通過以進行濕度之量測。豸等第-水氣 進出口⑽分別形成於該等第一電極221上之相對位置: 且該等第-水氣進出口 251係分別形成於該等第二電極241 之間。要注意的是,該第一介電層23亦可具有複數個第二 水《I進出口231,該等第二水氣進出口231係分別形成於該 # #第一電極221上之相對位置,且分別與該等第-水氣進 出口 25 1相連通(如圖5所示)。 ;> 在該實施例中,該第-電極221之寬度等於該第二電極 241之寬度’且該第二電極241之垂直投影不覆蓋該第一電 極22卜亦即,於空間上,該等第一電極221及該等第二= 極241未重豐。要注意的是,該第一電極221之寬度可大於 該第二電極241之寬度(如圖6所示),或者,該第—電極a! -之寬度可小於該第二電極241之寬度(如圖7所示)。 -另外,該第二電極24〗之垂直投影亦可覆蓋部分該第一 115236.doc 200819739 電極221。亦即,於空間上,該等第一電極221及該等第二 .電極241部分重疊。並且,該第一電極221之寬度可大於該 第二電極241之寬度(如圖8所示),或者,該第一電極221之 寬度可小於該第二電極241之寬度(如圖9所示),或者,該 第一電極221之寬度等於該第二電極241之寬度,且該第一 電極221及該第二電極241具有較寬之寬度(如圖10所示)。 較佳地,該第一介電層23及該第二介電層25之材質係為 g 高分子材料。該高分子材料係選自聚對苯二甲二乙酯 (PETT,polyethylenetere phthalate)、六曱苯二醚(HMDSO, hexamethyldisiloxane)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA, polymethylmethacrylate)、聚笨乙稀績酸納(polystyrene sulfonic sodium)及聚亞醢胺(Polyimide )等。其中,該第一介電層23及 該第二介電層25之材質較佳為聚亞醯胺。在應用範圍上, 該高分子材料之工作溫度範圍較高,通常可達-40°C至 180°C,電容值之變化約在1至1000PF。 • 請參閱圖11,其顯示圖2、圖6、圖7及圖10之微型濕度 感测器之相對濕度-電容值之示意圖。其中,曲線5A100代 表圖2之微型濕度感測器之濕度感測曲線;曲線5B100代表 圖6之微型濕度感測器之濕度感測曲線;曲線5C100代表圖 7之微型濕度感測器之濕度感測曲線;曲線5D100代表圖10 之微型濕度感測器之濕度感測曲線。由圖11中可得知,在 相同感測區域面積面積、感測介電層厚度及交錯的電極寬 - 度下,電極的交錯方式,以圖10之微型濕度感測器(上、 - 下電極接觸面積較大)之功效為最佳,其電容變化範圍 115236.doc 200819739 值、靈敏度與線性度為最佳。 請參閱圖12,其顯示本發明微型濕度感測器之遲滯效應 之示意圖。由圖12中可得知,由30%相對濕度至7〇%相對 濕度所量測之濕度感測曲線,與由7〇%相對濕度至%%相 對濕度所量測之濕度感測曲線幾乎重疊,亦即,本發明微 型濕度感測'具有極低之遲滯效應,故該濕度感測器具有 較佳之精準度,且感測之濕度值不易失真。 本發明之該微型濕度感測器利用低介電常數之該第一介 電層及該第二介電層作為電容感應層及該第二電極之保護 層。並且,該介電層具有低介電常數、高耐熱性、抗幅射 性、杬化學腐蝕性、尺寸安定性、極佳階梯覆蓋性等優良 特性,因此在微電子與微機電系統領域的應用非常廣泛。 再者,該等第一水氣進出口 251係分別形成於該等第一 電極221上之相對位置,且該等第一水氣進出口 251係分別 形成於該等第二電極241之間,且該第一電極層及該第二 電極層為不共平面,可使得該微型濕度感測器2於進行濕 度之量測時’具有較佳的濕度感測靈敏度、極高的感測線 性度、極低的遲滯效應、優良的穩定性、極佳的精確度及 高反應速度。 惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效,而非用 以限制本發明。因此,習於此技術之人士對上述實施例進 行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應 如後述之申請專利範圍所列。 【圖式簡單說明】 115236.doc -10- 200819739 : 圖1顯示習知電容式微型濕度感測器之示意圖; - 圖2顯示本發明微型濕度感測器之示意圖; 圖3顯示本發明弟一電極層之示意圖; 圖4顯7F本發明弟二電極層之示意圖; 圖5顯示本發明第一介電層具有複數個第二水氣進出口 微型濕度感測器之示意圖; 圖6顯示本發明第一電極之寬度大於第二電極之寬度之 φ 微型濕度感測器之示意圖; 圖7顯示本發明第一電極之寬度小於第二電極之寬度之 微型濕度感測器之示意圖; 圖8至圖10顯示本發明第二電極之垂直投影覆蓋部分第 一電極之三種微型濕度感測器之示意圖; 圖11顯示圖2、圖6、圖7及圖10之微型濕度感測器之相 對濕度-電容值之示意圖;及 圖12顯示本發明微型濕度感測器之遲滯效應之示意圖。 • 【主要元件符號說明】 1 習知之電容式微型濕度感測器 2 本發明之微型濕度感測器 11 基板 12 弟一電極層 13 介電層 14 弟一電極層 21 基板 22 弟一電極層 115236.doc 200819739 23 第一介電層 24 第二電極層 25 第二介電層 121 第一電極 141 第二電極 211 矽層 212 、 213 氧化層 221 第一電極 222 第一接端 231 第二水氣進出口 241 第二電極 242 第二接端 251 第一水氣進出口 115236.doc
Claims (1)
- 200819739 十、申請專利範圍: 1 · 一種具不共平面電極及水氣進出口之微型濕度感測器, 包括: 一基板; 一第一電極層,設置於該基板上,該第一電極層具有 一第一接端及複數個第一電極; 一第一介電層,覆蓋部分該基板及該等第一電極且顯 露該第一接端;一第二電極層,設置於該第一介電層上,具有一第二 接端及複數個第二電極,於空間上,該等第二電極與該 等第一電極係交錯地設置;及 山一第=介電層,覆蓋該等第二電極,且顯露該第二接 端’該第二介電層具有複數個第—水氣進出口,該等第 -水氣進出口係分別形成於該等第一電極上 置。如請求項1之微型濕度感測器 板0 其中該基板係為一石夕基 其中該矽基板係為一 p型 其中该基板係為一印刷 3·如請求項2之微型濕度感測器, 石夕基板。 4·如請求項1之微型濕度感測器 電路板。 其中該基板包括一石夕層 形成於該故層之二相對 5·如請求項1之微型濕度感測器, 及二層氧化層,該等氧化層分別 表面。 115236.doc 200819739 6.如請求項5之微型濕度感測器,其中該等氧化層之材質 係為_氣化碎。 7·如請求項1之微型濕度感測器,其中該第一電極層及該 第二電極層之材質係選自鋁、銅、鉻或金等金屬。 8. 如請求項1之微型濕度感測器,其中該第一介電層及該 弟一介電層之材質係為高分子材料。 9. 如請求項8之微型濕度感測器,其中該高分子材料係選自聚對苯二甲二乙酯(PETT,polyethylenetere phthalate)、六甲笨 二醚(HMDSO,hexamethyldisiloxane)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA,polymethylmethacrylate) '聚苯乙烯磺酸鈉加如加⑽ sulfonic sodium)或聚亞醢胺(Polyimide )等。 10. 如請求項1之微型濕度感測器,其中該第一介電層具有 複數個第二水氣進出口,該等第二水氣進出口係分別形 成於該等第-電極上之相對位置,且分別與該等第一水 氣進出口相連通。11. 12. 如翗求項1之微型濕度感測器,其中嗜 口係分別形成於該等第二電極之間。 如請求項1之微型濕度感蜊器,其中誃 等於該第二電極之寬度。 一水氣進出 電極之寬度 其中該第一電極之寬度 其中該第一電極之寬度 其中該第二電極之垂直 13·如請求項丨之微型濕度感測器 大於該第二電極之寬度。 14 ·如明求項1之微型濕度感測器 小於該第二電極之寬度。 15·如請求項1之微型濕度感測器 115236.doc 200819739 投影不覆蓋該第一電極。 16.如請求項1之微型濕度感測器,其中該第二電極之垂直 投影覆蓋部分該第一電極。115236.doc
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