专利名称：一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及湿度传感元件的应用研究，特别是用于燃料电池车的一种聚酰亚胺膜 微型快速响应湿度传感元件，本发明还包括该元件的制作方法。
背景技术：
在燃料电池汽车发动机中气体湿度的测量非常重要，且要求较高，现有湿度传感 器变送原理基于物质亲水机理，无法达到快速响应的要求，响应时间普遍较长，同时国内外 相关领域对湿度传感器动态响应时间的研究较少，可参考的快速响应湿度传感器的资料也 较少。国内文献报道的湿度传感器多采用金或铝作为电极材料，对湿度传感器的动态响应 性能研究较少，湿度传感器的响应时间最快报道约IOs左右，最慢约几分钟到几十分钟。国 外文献报道的湿度传感器多采用金作为电极材料，对湿度传感器的动态响应性能研究不 多，湿度传感器的响应时间最快报道约500ms (BCB)，但无产品，最慢约几十秒。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速响应的聚酰亚胺膜微型快速响应湿 度传感元件，本发明还提供该元件的制作方法。本发明通过下述技术方案解决其技术问题一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，上层 金属层为上电极，下层金属层为下电极，上、下金属层之间为感湿层，其特征在于所述上电 极为栅状布置，所述感湿层以聚酰亚胺为感湿膜。所述上电极和下电极的电极线宽为1 12 μ m。所述的一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法是采用微电子工 艺，按下述工艺过程制备a、清洗并且氧化极片；b、蒸镀下电极大面积依次溅射钼和铝(Mo-Al)或钼和钼(Mo-Pt)，其中Mo作为 缓冲层，厚度为500 1500人，电极总厚度为9000 15000 A;C、涂聚酰亚胺在高速涂胶台涂布聚酰亚胺调节转速以控制介质层厚度；d、亚胺化在恒温箱分不同温度区段进行亚胺化；e、溅射上电极大面积溅射上电极，选择M0-Al或Mo-Pt作为电极材料，其中Mo同 样作为缓冲层，其厚度为500 1500 A，电极总厚度为9000 15000 A;f、一次光刻，刻蚀划片道电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻 蚀；g、二次光刻，刻蚀上电极图形采用湿法刻蚀获得上电极图形；h、三次光刻，刻蚀下电极引线孔采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线 孔；i、切片、压焊、封装将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。所述涂布聚酰亚胺的方法为将聚酰亚胺酸溶液的浓度定为5 20%，用5 20 %的聚酰亚胺酸溶液涂膜于上电极。所述聚酰亚胺酸的合成工艺为控制温度在20 50°C，以N，N- 二甲基乙酰胺为 溶剂，4，4_ 二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体的摩尔质量比为1 0.8 1. 3，控制聚酰亚胺酸溶液浓度在5 20%，在氮气保护下反应5 10小时，再加入占总反 应物量5%的3，5-二氨基苯甲酸，再反应2 4小时，得到聚酰亚胺酸溶液。所述亚胺化是将涂好聚酰亚胺酸溶液的感湿元件放在恒温箱中进行亚胺化，亚胺 化的升温步骤为a、由室温升至100°C，并保持30min ；b、由 100°C升至 200°C，并保持 30min ；c、由 200°C 升至 300 °C，并保持 30min ；d、由 300°C升至 350°C，并保持 60min。本发明的高分子电容式湿敏元件的感湿机理是基于高分子湿敏介质吸附环境中 气态水分子时，湿敏介质的介电常数将随之变化，湿敏元件电容与环境相对湿度关系可由 下式表示Cx = ε 0 ε uS/d(1)式中CPU为湿敏元件在不同相对湿度下的电容量，pF ； ε C1为真空介电常数；S为湿 敏元件有效电极面积，mm2 ；d为高分子感湿膜厚度，mm； eu为相对湿度RH时高分子感 湿膜的介电常数，可由Looyenga经验公式表示为
权利要求
一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，上层金属层为上电极(1)，下层金属层为下电极(3)，上、下金属层之间为感湿层(2)，其特征在于所述上电极(1)为栅状布置，所述感湿层(2)以聚酰亚胺为感湿膜。
2.根据权利要求1所述一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，其特征在于所述 上电极(1)和下电极(3)的电极线宽为1 12 μ m。
3.如权利要求1所述的一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法，其特 征在于采用微电子工艺按下述工艺过程制备a、清洗并且氧化极片；b、溅射下电极大面积依次溅射钼和铝Mo-Al或钼和钼Mo-Pt，其中Mo作为缓冲层，厚 度为500 1500 A，电极总厚度为9000 15000 A;C、涂聚酰亚胺在高速涂胶台涂布聚酰亚胺调节转速以控制介质层厚度；d、亚胺化在恒温箱中分不同温度区段进行亚胺化；e、溅射上电极大面积溅射上电极，选择Mo-Al或Mo-Pt作为电极材料，其中Mo同样作 为缓冲层，其厚度为500 1500 A，电极总厚度为9000 15000 A;f、一次光刻，刻蚀划片道电极部分采用化学湿法刻蚀，聚酰亚胺层采用等离子刻蚀；g、二次光刻，刻蚀上电极图形采用湿法刻蚀获得上电极图形；h、三次光刻，刻蚀下电极引线孔采用等离子气体刻蚀的方法打开下电极引线孔；i、切片、压焊、封装将整块晶片沿划片道分割成独立的管芯，然后进行压焊和封装。
4.根据权利要求3所述一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法，其特 征在于所述涂布聚酰亚胺的方法为将聚酰亚胺酸溶液的浓度定为5 20%涂膜于下电 极。
5.根据权利要求4所述一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法，其特 征在于所述聚酰亚胺酸的合成工艺为控制温度在20 50°C，以N，N- 二甲基乙酰胺为溶 剂，4，4_ 二氨基对苯醚和均苯四甲酸二酐为单体，两种单体的质量比为1 0.8 1.3，控 制聚酰亚胺酸溶液浓度在5 20%，在氮气保护下反应5 10小时，再加入占总反应物量 5%的3，5-二氨基苯甲酸，再反应2 4小时，得到聚酰亚胺酸溶液。
6.根据权利要求3所述一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件的制作方法，其特 征在于所述亚胺化是将涂好聚酰亚胺酸溶液的感湿元件放在恒温箱中进行亚胺化，亚胺化 的升温步骤为a、由室温升至100°C，并保持30min；b、由100°C升至 200°C，并保持 30min ；C、由 200°C升至 300°C，并保持 30min ；d、由 300°C升至 350°C，并保持 60min。
全文摘要
一种聚酰亚胺膜微型快速响应湿度传感元件，为高分子平行板电容式结构，上层金属层为上电极，下层金属层为下电极，上、下金属层之间为感湿层，其特征在于所述上电极为栅状布置，所述感湿层以聚酰亚胺为感湿膜。制作方法是采用微电子工艺，经过清洗并且氧化极片、蒸镀下电极、涂聚酰亚胺、亚胺化、溅射上电极、一次光刻、二次光刻、三次光刻及切片、压焊、封装等工艺过程制备而成。本发明选用一种新型的聚酰亚胺为感湿材料，吸湿和脱湿响应速度快；上下电极的结构更有利于快速检测湿敏膜中水浓度的细微变化；另外膜厚度的可控范围对快速响应也有贡献，本发明响应速度指标达到500ms。
文档编号B81C1/00GK101949878SQ201010272929
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者令小波, 任学昌, 周文和, 常青, 杨建红, 王良成, 王良璧, 胡万林 申请人:兰州交通大学