一种用于电容式湿度传感器的上电极材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及微纳制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于电容式湿度传感器的上电极材料及其制备方法。


背景技术：

2.电容式湿度传感器基本结构是上下为电极层，中间层为介质层，工作原理为介质层材料吸附水汽分子后，介电常数发生变化，从而引起电极层电容的变化，实现湿度的测量。电容式湿度传感器具有成本低、功耗低和微型化等优势，被广泛应用在航天航空、生物医疗、工农业生产以及大气环境等领域。
3.传统的三明治电容式湿度传感器以聚酰亚胺为湿敏介质材料，致密的金属层为上下电极，因此上电极材料阻碍了中间湿敏介质层的吸湿通道，使传感器响应时间长，湿滞大。大部分学者从上电极结构设计角度改善了湿度传感器感湿特性，如设计成梳齿状上电极，梳齿间隙作为吸湿和脱湿的通道。然后此设计牺牲了传感器的电容特性，使电容变化率降低，灵敏度降低。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于电容式湿度传感器的上电极材料，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的上衬底、绝缘层、底部电极层、湿敏材料层和上电极层，包括淀积在湿敏材料层上的金属黑材料，所述金属黑材料选自金、银、铝或铂金属材料中的一种或若干种的混合物。
6.在一个优选地实施方式中，所述衬底选自单晶硅或玻璃。
7.一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的加工工艺，具体制备步骤如下：
8.步骤1、单晶硅活化处理，将带有绝缘层、底部电极层和湿敏材料层的单晶硅衬底，进行氧离子表面活法处理，得到硅片晶圆样品；
9.步骤2、前期准备，将步骤1完成后的晶圆样品放入电子束蒸发台，与此同时，将待蒸镀材料颗粒放入电子束蒸发台内的钼舟；
10.步骤3、降压，在步骤2完成后，打开电子束蒸发台的真空计，并打开高真空闸板阀，对电子束蒸发台内部抽真空30
‑
40分钟，使装置内部气压下降至0.5
‑
2.0pa；
11.步骤4、排气，在步骤3完成后，继续打开电子束蒸发台内部的n2气阀，通气10
‑
20钟，排除装置内部多余的氧气；
12.步骤5、调节气压，在步骤4完成后，继续调节n2气阀，调节装置内部气压，调至20
‑
200pa；
13.步骤6、蒸发，在步骤5完成后，调节电子束蒸发台的蒸发电流，使蒸发速率维持在0.5
‑
2.0nm/s,蒸镀后生成的上电极厚度控制为50
‑
100nm。
14.在一个优选地实施方式中，一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的加工工艺
还包括步骤7、加工，在步骤6完成后，依据工艺规格尺寸进行光刻和刻蚀，形成敏感区域、引线和焊盘区域
15.本发明的技术效果和优点：
16.本发明采用多孔的金属黑材料作为上电极，由此增大外界空气与湿敏材料的接触面积，避免了传统电容式湿度传感器上由于电极材料致密导致的水分子交换速率低的问题，由于外界空气与湿敏材料的接触面积增大，空气流速也随之增大，进而提高了湿敏材料吸湿和脱湿的速率，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，因此在不影响其电容特性的同时可以优化湿度传感器性能。
附图说明
17.图1为本发明提出的一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的电镜图；
18.图2为本发明提出的一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的制备工艺流程图；
19.图3为本发明实施例中湿敏特性的曲线图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明中的实施例，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。
21.实施例1：
22.一种用于电容式湿度传感器的上电极材料，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的上衬底、绝缘层、底部电极层、湿敏材料层和上电极层，包括淀积在湿敏材料层上的金属黑材料，所述金属黑材料选自金、银、铝或铂金属材料中的一种或若干种的混合物。
23.而具体到本实施例中，金属黑材料具体为金单质；
24.进一步的，所述衬底选自单晶硅，所述上电极层由上电极材料构成；
25.在上述的基础上，还一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的加工工艺，具体制备步骤如下：
26.步骤1、单晶硅活化处理，将带有绝缘层、底部电极层和湿敏材料层的单晶硅衬底，进行氧离子表面活化处理，得到硅片晶圆样品；
27.步骤2、前期准备，将步骤1完成后的晶圆样品放入电子束蒸发台，与此同时，将待蒸镀材料颗粒放入电子束蒸发台内的钼舟；
28.步骤3、降压，在步骤2完成后，打开电子束蒸发台的真空计，并打开高真空闸板阀，对电子束蒸发台内部抽真空30分钟，使装置内部气压下降至0.5
‑
2pa；
29.步骤4、排气，在步骤3完成后，继续打开电子束蒸发台内部的n2气阀，通气10
‑
20分钟，排除装置内部多余的氧气；
30.步骤5、调节气压，在步骤4完成后，继续调节n2气阀，调节装置内部气压调，至20
‑
200pa，具体为50pa；
31.步骤6、蒸发，在步骤5完成后，调节电子束蒸发台的蒸发电流，使蒸发速率维持在0.5
‑
2.0nm/s，具体为1.0nm/s,蒸镀后生成的上电极厚度控制为50
‑
100nm，具体为100nm；
32.步骤7、加工，在步骤6完成后，依据工艺规格尺寸进行光刻和刻蚀，形成上电极敏感区域、引线和焊盘区域。
33.实施例2：
34.一种用于电容式湿度传感器的上电极材料，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的上衬底、绝缘层、底部电极层、湿敏材料层和上电极层，包括淀积在湿敏材料层上的金属黑材料，所述金属黑材料选自金、银、铝或铂金属材料中的一种或若干种的混合物。
35.而具体到本实施例中，金属黑材料具体为金单质；
36.进一步的，所述电容式湿度传感器包括由上至下依次设置的上电极层、湿敏材料层、底部电极层、绝缘层和衬底；
37.进一步的，所述衬底选自单晶硅，所述上电极层由上电极材料构成；
38.在上述的基础上，还一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的加工工艺，具体制备步骤如下：
39.步骤1、单晶硅活化处理，将带有绝缘层、底部电极层和湿敏材料层的单晶硅衬底，进行氧离子表面活法处理，得到硅片晶圆样品；
40.步骤2、前期准备，将步骤1完成后的晶圆样品放入电子束蒸发台，与此同时，将待蒸镀材料颗粒放入电子束蒸发台内的钼舟；
41.步骤3、降压，在步骤2完成后，打开电子束蒸发台的真空计，并打开高真空闸板阀，对电子束蒸发台内部抽真空30分钟，使装置内部气压下降至0.5
‑
2pa；
42.步骤4、排气，在步骤3完成后，继续打开电子束蒸发台内部的n2气阀，通气10钟，排除装置内部多余的氧气；
43.步骤5、调节气压，在步骤4完成后，继续调节n2气阀，调节装置内部气压调，至100pa；
44.步骤6、蒸发，在步骤5完成后，调节电子束蒸发台的蒸发电流，使蒸发速率维持在1.0nm/s,蒸镀后生成的上电极厚度控制为100nm；
45.步骤7、加工，在步骤6完成后，依据工艺规格尺寸进行光刻和刻蚀，形成敏感区域、引线和焊盘区域。所述敏感区域包括上电机、下电极和湿敏材料敏感区域。
46.实施例3：
47.一种用于电容式湿度传感器的上电极材料，所述的电容式湿度传感器采用下至上依次设置的上衬底、绝缘层、底部电极层、湿敏材料层和上电极层，包括淀积在湿敏材料层上的金属黑材料，所述金属黑材料选自金、银、铝或铂金属材料中的一种或若干种的混合物。
48.而具体到本实施例中，金属黑材料具体为金单质；
49.进一步的，所述电容式湿度传感器包括由上至下依次设置的上电极层、湿敏材料层、底部电极层、绝缘层和衬底；
50.进一步的，所述衬底选自单晶硅，所述上电极层由上电极材料构成；
51.在上述的基础上，还一种用于电容式湿度传感器的上电极材料的加工工艺，具体
制备步骤如下：
52.步骤1、单晶硅活化处理，将带有绝缘层、底部电极层和湿敏材料层的单晶硅衬底，进行氧离子表面活法处理，得到硅片晶圆样品；
53.步骤2、前期准备，将步骤1完成后的晶圆样品放入电子束蒸发台，与此同时，将待蒸镀材料颗粒放入电子束蒸发台内的钼舟；
54.步骤3、降压，在步骤2完成后，打开电子束蒸发台的真空计，并打开高真空闸板阀，对电子束蒸发台内部抽真空30分钟，使装置内部气压下降至0.5
‑
2pa；
55.步骤4、排气，在步骤3完成后，继续打开电子束蒸发台内部的n2气阀，通气10钟，排除装置内部多余的氧气；
56.步骤5、调节气压，在步骤4完成后，继续调节n2气阀，调节装置内部气压调，至200pa；
57.步骤6、蒸发，在步骤5完成后，调节电子束蒸发台的蒸发电流，使蒸发速率维持在1.0nm/s,蒸镀后生成的上电极厚度控制为100nm；
58.步骤7、加工，在步骤6完成后，依据工艺规格尺寸进行光刻和刻蚀，形成上电极敏感区域、引线和焊盘区域。
59.通过以上三组实施例可以得到三种用于电容式湿度传感器的上电极材料，将这三种上电极材料分别进行湿敏特性测试，结果得出三组实施例中的上电极材料性能各不相同，其中实施例3中实施例3湿敏特性优于实施例2和实施例1，在测试的过程中，获得的各项参数对比如下表：
[0060][0061]
相同湿度条件下，电容越大说明湿敏特性越好。将实施例1
‑
3所得的电容式湿度传感器进行湿敏特性测试，记录不同的湿度条件下，电容特性与相对湿度的变化曲线由图3所示。实施例1
‑
3分别对应着n2气压50pa、100pa和200pa的实验条件。由图3所示，实施例3湿敏特性明显优于实施例2和实施例1，本发明提供的一种用于电容式湿度传感器的上电极材料及制备方法有利于改善电容式湿度传感器的吸湿特性和灵敏度，因此在不影响其电容特性的同时可以优化湿度传感器性能。
[0062]
本发明采用多孔的金属黑材料作为上电极，由此增大外界空气与湿敏材料的接触面积，避免了传统电容式湿度传感器上由于电极材料致密导致的水分子交换速率低的问题，由于外界空气与湿敏材料的接触面积增大，空气流速也随之增大，进而提高了湿敏材料吸湿和脱湿的速率，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。
[0063]
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。