一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于湿度测量与控制技术领域，涉及一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件。
【背景技术】
[0002]湿度测量与控制紧密相关于社会生活、工农业生产等。某些领域，如呼吸系统疾病诊治、燃料电池汽车等，不但需要湿敏元件具有准确、可靠等静态特性，还要求湿敏元件能够快速响应测量环境湿度的瞬态变化。现有湿敏元件的静态特性相对较好，但其市场化产品的动态特性不尽人意(通常几十秒)。
[0003]目前广泛使用的栅状上电极平行板电容式湿敏元件多基于Si基片和聚酰亚胺感湿膜(PI)。聚酰亚胺(PI)高分子感湿膜是多孔介质，能够吸附气体，且介电常数较小，而水气分子的介电常数较大，当感湿膜吸附湿空气中水气分子后，感湿膜介电常数ε s显著线性变化，并对应于感湿膜吸附水气分子不同的浓度，其值ε s可由Looyenga经验公式进行描述。当环境湿度突然变大时，由于环境与感湿膜内水气分子浓度差的原因，环境气体中水气分子自栅状上电极的栅齿间隙进入感湿膜表面，然后纵向向下和横向左右扩散至上电极栅齿覆盖的感湿膜区域，扩散越快，湿敏元件响应时间越短。可以看出，相同条件下，栅状上电极栅齿越窄(覆盖区域越窄)和感湿膜越薄，水气分子扩散路程越短，则水气分子扩散越快，湿敏元件响应时间越短；反之亦然。
[0004]为了强化栅状上电极的结构和均匀电荷分布，栅状上电极须设置均流条，均流条宽度远大于栅状上电极栅齿宽度，且面积约占栅状上电极总面积40%。均流条的存在增加了水气分子扩散的路程，使得通过追求过小栅状上电极栅齿宽度改善湿敏元件动态响应时间的效果不能明显。如此，栅状上电极均流条的存在制约了湿敏元件动态响应时间的进一步改善。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，无需均流条，解决现有栅状上电极平行板电容式湿敏元件须设置占上电极总面积相当比例、较宽的上电极均流条导致水气分子扩散路径过长，使得通过减小栅状上电极栅齿宽度方法改善湿敏元件响应时间的效果不能明显的问题。
[0006]本实用新型所采用的技术方案是由上至下分别为孔状上电极、孔状PI感湿膜、平板下电极、Si02*缘层和Si基底，其中，孔状上电极设有若干排列整齐的上电极孔，孔状PI感湿膜上设有若干排列整齐的感湿膜孔，感湿膜孔和上电极孔上下一一对应构成水气分子的扩散通道，下电极引线通过设于PI感湿膜上的2个下电极引线孔与下电极氩焊连接。
[0007]进一步，所述Si基底选用硅片，所述孔状上电极和平板下电极为Mo - A1电极。
[0008]进一步，所述上电极孔的孔径为2 μ m，上电极孔中心最小间距为4 μπι。
[0009]进一步，所述孔状ΡΙ感湿膜厚度为0.54 μ m。
[0010]本实用新型的有益效果是相同条件下，孔状上电极和感湿膜湿敏元件与栅状上电极湿敏元件相比，响应时间可得到最大程度的改善。
【附图说明】
[0011]图1孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件平面图；
[0012]图2孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件结构示意图；
[0013]图3孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件制作工艺流程图；
[0014]图4孔状上电极和感湿膜湿敏元上电极孔距示意图；
[0015]图5孔状上电极和感湿膜与栅状上电极湿敏元件动态特性比较图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0017]本实用新型孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件如图1和图2所示，由上至下分别为孔状上电极2、孔状PI感湿膜4、平板下电极7、Si02绝缘层8和Si基底9，Si基底9可选用硅片，孔状上电极2和平板下电极7为Mo — A1电极，其中，孔状上电极2设有若干排列整齐的上电极孔3，上电极孔3的孔径优选为2 μ m，上电极孔3间中心最小间距优选为4 μ m，孔状PI感湿膜4上设有若干排列整齐的感湿膜孔6，感湿膜孔6和上电极孔3上下一一对应构成水气分子1的扩散通道。通过刻蚀孔状PI感湿膜4形成的下电极引线孔5，用于氩焊下电极引线。
[0018]本实用新型中，孔状PI感湿膜4由预先配置的聚酰亚氨酸经匀胶机硅片涂覆，再经亚胺化、等离子刻蚀孔状图形形成，其厚度通过控制聚酰亚氨酸浓度、涂覆用量、及匀胶机每分钟转数得到，优选厚度为0.54 μ mo本实用新型中采用Mo - A1复合电极是通过粘附性更强的钼(Mo)强化电极引线的易焊性，铝电极的使用降低了湿敏元件成本，并增加了其寿命ο
[0019]本实用新型平行板电容式湿敏元件的制作工艺如图3所示，首先清洗硅片，硅片氧化形成绝缘层，蒸镀下电极，下电极涂覆聚酰亚胺酸、亚胺化，蒸镀上电极，上电极孔状图形磷酸刻蚀，感湿膜孔状图形等离子刻蚀，使用磷酸刻蚀上电极、等离子刻蚀感湿膜形成划片道，刻蚀感湿膜形成下电极引线孔，最后切片、氩焊、封装。
[0020]本实用新型孔状上电极和感湿膜孔避免了栅状上电极考虑栅齿过窄易断裂及均匀电荷分布而设置的面积比例大、宽度宽的均流条，使水气分子通过上电极孔和感湿膜孔直接扩散至上电极覆盖感湿膜区域，扩散路径大为缩短，可有效改善湿敏元件的响应时间。
[0021]本实用新型一种孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，面积3mmX3mm，上电极有源区面积2mmX 2mm，其中孔直径2 μ m，图4示出孔中心间距SI = S2 = 4 μπι，上电极面积2.5mm2;经试验验证，其余相同条件下，本实用新型孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件的动态响应时间比现有栅状上电极平行板电容式湿敏元件改善了约40 %。
[0022]图5示出了现有栅状上电极湿敏元件(面积3mmX3mm，上电极有源区面积2mm X 2臟，其中栅齿宽度2 μ m，栅齿间隙宽度2 μ m，上电极面积2.5mm2，均流条宽度50 μ m，占上电极面积比例40% )和本实用新型湿敏元件动态特性比较，其中，栅状上电极湿敏元件的动态特性数据来源于25°C自相对湿度为33.2% RH(MgCl2饱和盐溶液)到相对湿度为75.8%RH(NaCl饱和盐溶液)的升湿响应测试结果，动态特性测试基于饱和盐溶液法，平衡时间为5s，测试时间小于10s，孔状上电极湿敏元件的动态特性数据来源于数值模拟，图中纵坐标为无量纲电容值，横坐标为时间。
[0023]由图5可以看出，孔状上电极和感湿膜湿敏元件的响应时间明显优于栅状上电极湿敏元件，尤其试验后期。
[0024]以上所述仅是对本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，其特征在于:由上至下分别为孔状上电极、孔状PI感湿膜、平板下电极、Si02*缘层和Si基底，其中，孔状上电极设有若干排列整齐的上电极孔，孔状PI感湿膜上设有若干排列整齐的感湿膜孔，感湿膜孔和上电极孔上下一一对应构成水气分子的扩散通道，PI感湿膜设有2个下电极引线孔，用于氩焊下电极引线。2.按照权利要求1所述一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，其特征在于:所述Si基底选用硅片，所述孔状上电极和平板下电极为Mo - A1电极。3.按照权利要求1所述一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，其特征在于:所述上电极孔的孔径为2 μπι，上电极孔中心最小间距为4 μπι。4.按照权利要求1所述一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，其特征在于:所述孔状ΡΙ感湿膜厚度为0.54 μ m0
【专利摘要】本实用新型公开了一种快速响应孔状上电极和感湿膜平行板电容式湿敏元件，由上至下分别为孔状上电极、孔状PI感湿膜、平板下电极、SiO2绝缘层和Si基底，其中，孔状上电极设有若干排列整齐的上电极孔，孔状PI感湿膜上设有若干排列整齐的感湿膜孔，PI感湿膜设有2个下电极引线孔，用于氩焊下电极引线。首先清洗硅片，硅片氧化形成绝缘层，蒸镀下电极，下电极涂覆聚酰亚胺酸、亚胺化，蒸镀上电极，上电极孔状图形磷酸刻蚀，感湿膜孔状图形等离子刻蚀，使用磷酸刻蚀上电极、等离子刻蚀感湿膜形成划片道，刻蚀PI感湿膜形成下电极引线孔，最后切片、氩焊、封装。本实用新型的有益效果是响应时间可得到最大程度的改善。
【IPC分类】G01N27/22
【公开号】CN205067413
【申请号】CN201520417766
【发明人】周文和, 王良璧, 陈美娟, 陈玉英, 李志伟, 王良成, 李思思, 董昕玥
【申请人】兰州交通大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年6月15日