电容式湿度传感器及其制造方法

摘要

本发明具体公开一种电容式湿度传感器及其制造方法，包括至少一个第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件及衬底，所述传感部件相离固设于衬底表面；第一传感部件包括加热电极层、绝缘层、第一电极层、湿敏层及第二电极层；第一传感部件的加热电极层叠设于衬底表面，绝缘层叠设在加热电极层外表面，并延伸至衬底表面上；第一电极层、湿敏层及第二电极层按衬底至绝缘层方向依次叠设在绝缘层外表面；第二电极层表面设有与湿敏层相通的通孔；相对于第一传感部件，第二、第三传感部件不包括加热电极层，且第三传感部件的第二电极层表面无通孔。本发明结构简单，各个层间接触牢固、不易发生接触不良或脱落，能降低电极寄生电阻，提升传感器低温性能。

权利要求

1.一种电容式湿度传感器，其特征在于：包括至少一个第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件及衬底，所述传感部件均相离固设于所述衬底的相同表面；

其中，所述第一传感部件包括具有几何形状的加热电极层、绝缘层、第一电极层、湿敏层及第二电极层；

所述第一传感部件的所述加热电极层叠设于所述衬底表面，所述绝缘层叠设在所述加热电极层外表面，并延伸至所述衬底表面上；所述第一电极层、湿敏层及第二电极层按所述衬底至所述绝缘层方向依次叠设在所述绝缘层外表面；所述第二电极层表面设有与所述湿敏层相通的通孔；

相对于所述第一传感部件，所述第二、第三传感部件不包括所述加热电极层，且所述第三传感部件的所述第二电极层表面无通孔。

2.如权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于：所述湿敏层为亚胺化的聚酰胺酸层，所述湿敏层厚度为1～10μm。

3.如权利要求1-2任一所述的湿度传感器，其特征在于：所述加热电极层为金属层；所述几何形状为脉冲波形或锯齿形或波浪线形。

4.如权利要求1-2任一所述的湿度传感器，其特征在于：所述绝缘层为氧化硅层或氮化硅层。

5.如权利要求1-2任一所述的湿度传感器，其特征在于：所述第一电极层和/或所述第二电极层均为金属层。

6.如权利要求5所述的湿度传感器，其特征在于：所述金属层为铝层或铂金层或金层。

7.如权利要求1-2任一所述的湿度传感器，其特征在于：所述衬底为硅。

8.一种如权利要求1-7任一所述的湿度传感器的制造方法，至少包括以下步骤：步骤S01.在衬底表面形成第一传感部件的加热电极层，并对所述加热电极层进行几何形状刻蚀处理；

步骤S02.在所述衬底表面及所述加热电极层外表面形成绝缘层；

步骤S03.在所述绝缘层外表面分别形成彼此间隔的第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件的第一电极层；

步骤S04.分别在所述第一、第二、第三传感部件的所述第一电极层外表面对应形成所述第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件的湿敏层；

步骤S05.分别在所述第一、第二、第三传感部件的所述湿敏层外表面对应形成所述第一、第二、第三传感部件的第二电极层；

步骤S06.在所述第一传感部件、第二传感部件的第二电极层上形成与所述湿敏层相通的通孔。

9.如权利要求8所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述绝缘层的形成方式为低压化学气相沉积；所述加热电极层、所述第一电极层、第二电极层的形成方式为磁控溅射。

10.如权利要求9所述的湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述加热电极层、第一电极层及第二电极层的形成方式还包括反应离子刻蚀。

说明书

电容式湿度传感器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及湿度传感技术领域，尤其涉及一种电容式湿度传感器及其制造方法。

背景技术

[0002] 湿度传感器是一种可以通过确定湿度敏感材料由于水分引起的电性质的改变来精确的检测湿度变化的设备，可以广泛应用于汽车、医疗器械、空气净化系统、自动冷却/加热系统、家电、移动设备等中，以维持各种设备/系统的湿度在最佳状态。目前市场上的湿度传感器可以分为电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器，其中，电阻式湿度传感器基于湿度改变导致电阻的变化来测量湿度，这类型湿度传感器应用广泛，主要是因为电阻式湿度传感器相对于电容式湿度传感器在价格上具有很大的优势。然而，近年来，电容式湿度传感器以单芯片的形式制造在半导体衬底上，因此可能可以获得的电容式湿度传感器比电阻式湿度传感器更具有价格方面的竞争力。

[0003] 此外，相对电阻式湿度传感器，电容式湿度传感器可以呈现出更高的可靠性，并且可呈现更加线性的传感器特征以及可以承受低温的影响，因此，电容式湿度传感器可以作为电容器型器件。该电容器型器件的湿敏材料为介电常数随着水分的变化而改变的聚合物或陶瓷。也即用于感测湿度的湿敏层可以存在于器件内部，并且湿度敏感层的介电常数可以在水分通过湿度敏感层时发生改变，介电常数的改变引起电容的变化，通过电容的变化确定湿度的水平。

[0004] 美国第3916367号专利公布了将湿度敏感材料覆盖在叉指电极之上，形成测量层。这种平铺叉指电极结构的电容式湿度传感器虽然工艺简单，易于测量电路集成，但是其电容值较小，存在测量灵敏度低的缺点。

[0005] 美国第4164868号专利公布了湿度敏感材料填充在上下电极之间，这种三明治结构的电容式湿度传感器，为了保证传感器的响应速度，上电极采用有一定透水性的薄的薄膜(约10nm)，这容易导致传感器的上电极中寄生较大的电阻，会对传感器的性能造成不利影响。

[0006] 美国第6690569号专利公布了在湿度的测量电极中置入加热元件，这样有助于提升湿度传感器在低温时的性能及降低湿滞。但是这样的湿度传感器不能实现温度补偿。

发明内容

[0007] 针对上述存在的平铺叉指电容式湿度传感器具有电容值小、灵敏度低；三明治式存在电极非常薄导致的寄生电阻及需要温度补偿等缺点，提供了一种电容式湿度传感器及其制造方法。

[0008] 为了达到上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

[0009] 一种电容式湿度传感器，包括至少一个第一传感器部件、第二传感器部件、第三传感器部件及衬底，所述传感器部件均相离固设于所述衬底的相同表面；

[0010] 其中，所述第一传感器部件包括具有几何形状的加热电极层、绝缘层、第一电极层、湿敏层及第二电极层；

[0011] 所述第一传感器的所述加热电极层叠设于所述衬底表面，

[0012] 所述绝缘层叠设在所述加热电极层外表面，并延伸至所述衬底表面上；所述第一电极层、湿敏层及第二电极层按所述衬底至所述绝缘层方向依次叠设在所述绝缘层外表面；所述第二电极层表面设有与所述湿敏层相通的通孔；

[0013] 相对于所述第一传感部件，所述第二、第三传感部件不包括所述加热电极层，且所述第三传感部件的所述第二电极层表面无通孔。

[0014] 以及，相应的，上述电容式湿度传感器的制造方法，至少包括以下步骤：

[0015] 步骤S01.在衬底表面形成第一传感部件的加热电极层，并对所述加热电极层进行几何形状刻蚀处理；

[0016] 步骤S02.在所述衬底表面及所述加热电极层外表面形成绝缘层；

[0017] 步骤S03.在所述绝缘层外表面分别形成彼此间隔的第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件的第一电极层；

[0018] 步骤S04.分别在所述第一、第二、第三传感部件的所述第一电极层外表面对应形成所述第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件的湿敏层；

[0019] 步骤S05.分别在所述第一、第二、第三传感部件的所述湿敏层外表面对应形成所述第一、第二件、第三传感部件的第二电极层；

[0020] 步骤S06.在所述第一传感部件、第二传感部件的第二电极层上形成与所述湿敏层相通的通孔。

[0021] 上述本发明实施例提供的电容式湿度传感器，具有结构简单，各个层间接触牢固、不易发生接触不良等特点；第二电极层通孔的设计，降低了电极寄生电阻的可能性；至少一个第一传感器部件、第二传感器部件及第三传感器部件的设计，实现通过补偿的方式，降低温度漂移并消除其他类型的共模信号干扰；而部分传感器部件设计的加热电极层，能够提升传感器在低温环境下的性能。

[0022] 本发明上述实施例提供的电容式湿度传感器的制造方法，具有工艺简单、操作简便、刻蚀精准、成型性好等优点，适合规模生产，制造的传感器具有一致性好、环境适应性强及响应时间短等特点。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的主视图；

[0025] 图2是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的后视图；

[0026] 图3是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的前视图；

[0027] 图4是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的右视图；

[0028] 图5是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的A-A剖视图；

[0029] 图6-14是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的制作过程示意图；

[0030] 图15是本发明实施例提供的电容式湿度传感器的电容测试结果示意图；

[0031] 图16是本发明实施例提供的电容式湿度传感器响应时间随温度变化情况示意图；

[0032] 其中，1-衬底；2-加热电极层；3-绝缘层；4-第一电极层；5-湿敏层；6-第二电极层，61-通孔；d、c-第一传感部件；b-第二传感部件；a-第三传感部件。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

[0035] 还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

[0036] 如图1至图5所示，本发明实施例提供的电容式湿度传感器，包括至少一个第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件及衬底1，所述传感部件均相离固设于所述衬底1的相同表面；

[0037] 上述第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件均相互分离平铺且固定设置在衬底1的相同表面，也就是，可以将衬底1的两个相对的宽面叫做A面、B面，那么第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件均相互分离的平铺在A面或B面，三个部件与衬底1接触的部位应当共面。所述的第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件可以呈直线(或呈“一”字型)排布在衬底表面，也可以呈“田”字型排布。当该电容式湿度传感器包括两个第一传感部件时，为了使得该电容式湿度传感器结构紧凑，所有传感部件在衬底1表面的布局呈“田”字型排布。本发明提供的实施例包含两个第一传感部件、一个第二传感部件、一个第三传感部件，即是呈“田”字型排布，可以作为为例子对本发明的技术方案进行描述。

[0038] 在任一实施例中，衬底1可以选2-12英寸的单晶硅片。为了使得电容式湿度传感器制作时，各层平整且厚度均匀，最好衬底1的双面或单面抛光，抛光的表面固设第一传感部件、第二传感部件、第三传感部件。出于加工便捷的考虑，衬底1的厚度可以为300-1000μm；优选500μm，该厚度既能保证加工便捷，又避免衬底1因过厚而不便植入其他设备。

[0039] 在任一实施例中，第一传感部件包括加热电极层2、绝缘层3、第一电极层4、湿敏层5、第二电极层6。

[0040] 其中，加热电极层2通过沉积叠设于衬底1表面，且具有几何形状。具体地，为了使得加热电极层2能够均匀的对第一传感部件进行加热，加热电极层2的几何形状为脉冲波形、锯齿形或波浪线形，并延伸至衬底1表面的边沿以供与外界进行电连接，加热电极层2的外延部分，可以向同一边沿延伸，也可以向不同边沿延伸，本发明实施例中，图1所示的为向不同边沿延伸的情况。

[0041] 作为优选地，采用金属铝作为加热电极层2的材料，所述加热电极层2的厚度为0.3-0.6μm。

[0042] 在任一实施例中，绝缘层3叠设于加热电极层2的外表面，并且延伸叠设至加热电极层2未覆盖到的衬底1的表面。

[0043] 作为优选地，采用氧化硅或氮化硅材料作为绝热层3，所述氧化硅或氮化硅材料的厚度在0.5-1.5μm，绝缘层3太厚则不易于快速加热，易发生加热滞后，而过薄则容易出现绝缘性不好，影响测量时绝缘层电极的测量准确性；如果绝缘层太薄，第一电极层4可能会与加热电极层2导通，从而导致无法测量湿敏层5的电容值。

[0044] 在任一实施例中，第一电极层4也称湿度下电极层。第一电极层4叠设于绝缘层3的外表面，并经过刻蚀，使第一电极层4形成具有图案的形状，而且第一电极层4有外露的脚延伸至衬底1的表面，方便与其他部件实现电连接。

[0045] 作为优选地，采用铝材料形成第一电极层4，且形成的第一电极层4的厚度为0.5-1.5μm。

[0046] 在任一实施例中，湿敏层5叠设于第一电极层4的外表面。优选匀胶方式形成湿敏层5。

[0047] 作为优选地，采用聚酰胺酸溶液作为湿敏层5的原料，将聚酰胺酸溶液均胶于第一电极层4的表面，然后加热使其亚胺化。为了使得湿敏层5具有良好的灵敏度，其厚度优选为1-10μm。

[0048] 在任一实施例中，第二电极层6也称湿度顶电极层。第二电极层6叠设于湿敏层5的外表面，并经过刻蚀，形成具有图案的形状，且在其上刻蚀出均匀分布的通孔61，使得湿敏层5通过通孔61实现外露，含有水分的空气可以透过这个通孔进入湿敏层，进而影响湿敏层的介电常数，导致最终电容的变化进而实现对湿度的测量。应当注意的是，第二电极层6有外露的脚延伸至衬底1的表面，方便与其他部件实现电连接。

[0049] 作为优选地，采用铝材料形成第二电极层6，且形成的第二电极层6的厚度为0.5-1.5μm。

[0050] 在任一实施例中，与第一传感部件相比，第二、第三传感部件不包括加热电极层2，且第三传感部件的第二电极层6不开设通孔61，其余均与第一传感部件结构相同。在一实施例中，第二、第三传感部件的加工与第一传感部件的加工同步进行。

[0051] 以图14为例，说明本发明实施例提供的电容式湿度传感器的工作过程(或工作原理)：

[0052] 1)消除误差

[0053] 该步骤主要原因是由于湿敏材料的前驱体聚酰胺酸无法保证不同批次的产品分子量分布等化学参数完全一致，并且旋涂和酰胺化的过程也会引入一定的误差，这样会导致在其他参数和工艺不改变的情况下，不同批次的湿度传感器的电容值有一定的偏差，这样会导致测量的漂移或者偏差。

[0054] 同时湿度传感器的湿敏材料的电容值除了受湿度的影响而改变之外，还可能受到例如温度、压力等影响而改变，如图14所示，通过用b的电容值减去a的电容值，可以最大限度的消除湿度之外的影响对湿敏材料电容值的改变，进而提升测量的精准度。

[0055] 2)加温、切换

[0056] 由于聚酰亚胺作为湿敏材料的特性，在温度较低而又湿度较高的情况下，(例如温度低于20℃而湿度高于75％RH)，一方面传感器表面容易结露，另外一方面水分子的透过性能也会受到影响。传统的处理方法是在传感器下放置加热电极，当温度低于一定范围时开启，但加热电极开启到传感器温度稳定需要比较长的时间，这样如果在湿度变化很快的环境，那么传感器温度还未稳定的这段时间的将会误差很大甚至无法读数。本发明采用添置传感器的形式，例如传感器c和传感器d，针对温度变化较快的场合，提前打开传感器c或传感器d的加热电极，使传感器c或传感器d的温度稳定，当环境温度正常时，采用传感器b的电容来计算环境湿度，当环境温度变化，低至一定值时，采用传感器c或者传感器d的电容来计算环境湿度。这样通过传感器电容的读取选择，可以实现对环境湿度的实时测量。

[0057] 图15显示了制作过程中传感器的电容基准值发生变化的情况，但是通过把b的电容减去a的电容，可以得到接近一致的电容值。

[0058] 本发明实施例提供的电容式湿度传感器，具有结构简单，各个层间接触牢固、不易发生接触不良等特点；第二电极层通孔的设计，降低了电极寄生电阻的可能性；至少一个第一传感器部件、第二传感器部件及第三传感器部件的设计，实现通过补偿的方式，降低温度漂移并消除其他类型的共模信号干扰；而部分传感器部件设计的加热电极层，能够提升传感器在低温环境下的性能。

[0059] 本发明实施例在提供电容式湿度传感器的基础上，还提供了该传感器的一种制造方法。下面通过具体实施例解释本发明的制造过程，以便更好的说明本发明电容式湿度传感器。

[0060] 在一具体实施例中，如图6至图14所示，本发明包含两个第一传感部件、一个第二传感部件及一个第三传感部件的电容式湿度传感器的制造过程为：

[0061] (1)衬底1的清洗处理。如果衬底1未抛光，可以对其中一面进行抛光处理，或者两面均进行抛光处理，具体如图6所示；

[0062] (2)加热电极层2的沉积处理。在衬底2的一抛光面上沉积一层金属铝层；再进行正胶甩胶，前烘光刻显影，后烘干，然后进行反应离子刻蚀、去胶后，形成具有几何形状的加热电极层2，具体如图7所示；

[0063] (3)绝缘层3的沉积处理。在加热电极层2的外表面及未被加热电极层2所覆盖的衬底1表面沉积一层氧化硅层，该氧化硅层即为绝缘层3，具体如图8所示，并对绝缘层3进行处理，形成具有几何形状的绝缘层，使加热电极层2部分外露，具体如图9所示，本发明实施例提供的电容式湿度传感器的成品均是绝缘层3有几何形状的示意图；

[0064] (4)第一电极层4的沉积处理。在绝缘层3的外表面沉积一层铝层，经过正胶甩胶、前烘光刻显影、后烘工艺，进行反应离子刻蚀、去胶后，形成具有几何形状的第一电极层4，具体如图10、11所示；

[0065] (5)湿敏层5的形成处理。在第一电极层4的外表面采用匀胶的方式附着一层聚酰胺酸溶液，然后加热使其亚胺化，形成湿敏层5，具体如图12所示；

[0066] (6)第二电极层6的沉积处理。在湿敏层5的外表面沉积一层铝层，经过正胶甩胶、前烘光刻显影、后烘工艺，进行反应离子刻蚀、去胶后，形成具有几何形状的第二电极层6，并对第一、第二传感部件上形成的第二电极层6进行通孔61的刻蚀，具体如图13、14所示。

[0067] 其中，(3)采用低压化学气相沉积法进行沉积；(2)、(4)、(6)采用磁控溅射法进行沉积。

[0068] 图16是本发明上述实施例制造的传感器响应时间随温度的变化示意图。从图中可知，在低于20℃性能下降较快，低于10℃，性能接近不可用。因此，所有在低温区域进行湿度检测时，有必要直接读取经过加热电极加热的传感器c和传感器d。

[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。