一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于濕度測量與控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件。
【背景技術(shù)】
[0002]濕度測量與控制緊密相關(guān)于社會生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。某些領(lǐng)域，如呼吸系統(tǒng)疾病診治、燃料電池汽車等，不但需要濕敏元件具有準(zhǔn)確、可靠等靜態(tài)特性，還要求濕敏元件能夠快速響應(yīng)測量環(huán)境濕度的瞬態(tài)變化?，F(xiàn)有濕敏元件的靜態(tài)特性相對較好，但其市場化產(chǎn)品的動態(tài)特性不盡人意(通常幾十秒)。
[0003]目前廣泛使用的柵狀上電極平行板電容式濕敏元件多基于Si基片和聚酰亞胺感濕膜(PI)，聚酰亞胺(PI)高分子感濕膜是多孔介質(zhì)，能夠吸附氣體，且介電常數(shù)較小，而水氣分子的介電常數(shù)較大，當(dāng)感濕膜吸附濕空氣中水氣分子后，感濕膜介電常數(shù)ε 3顯著線性變化，并對應(yīng)于感濕膜吸附水氣分子不同的濃度。當(dāng)環(huán)境濕度突然變大時(shí)，由于環(huán)境與感濕膜內(nèi)水氣分子濃度差的原因，環(huán)境氣體中水氣分子自柵狀上電極的柵齒間隙進(jìn)入感濕膜表面，然后縱向向下和橫向左右擴(kuò)散至上電極柵齒覆蓋的感濕膜區(qū)域，擴(kuò)散越快，濕敏元件響應(yīng)時(shí)間越短?？梢钥闯?，相同條件下，柵狀上電極柵齒越窄(覆蓋區(qū)域越窄)和感濕膜越薄，水氣分子擴(kuò)散路程越短，則水氣分子擴(kuò)散越快，濕敏元件響應(yīng)時(shí)間越短；反之亦然。
[0004]為了強(qiáng)化柵狀上電極的結(jié)構(gòu)和均勻電荷分布，柵狀上電極須設(shè)置均流條，均流條寬度遠(yuǎn)大于柵狀上電極柵齒寬度，且面積約占柵狀上電極總面積30% -40%。均流條的存在增加了水氣分子擴(kuò)散的路程，使得通過追求過小柵狀上電極柵齒寬度改善濕敏元件動態(tài)響應(yīng)時(shí)間的效果不能明顯。如此，柵狀上電極均流條的存在制約了濕敏元件動態(tài)響應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步改善。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，無需均流條，解決現(xiàn)有柵狀上電極平行板電容式濕敏元件須設(shè)置占上電極總面積相當(dāng)比例、較寬的上電極均流條導(dǎo)致水氣分子擴(kuò)散路徑過長，使得通過減小柵狀上電極柵齒寬度方法改善濕敏元件響應(yīng)時(shí)間的效果不能明顯的問題。
[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是由上至下分別為孔狀上電極、ΡΙ感濕膜、平板下電極、Si02*緣層和Si基底，其中，上電極設(shè)有若干排列整齊的上電極孔，PI感濕膜上設(shè)有2個(gè)下電極引線孔。
[0007]進(jìn)一步，所述Si基底選用娃片，所述上電極和下電極為Mo — A1電極。
[0008]進(jìn)一步，所述上電極孔的孔徑為2 μπι，上電極孔間中心最小間距為4 μπι。
[0009]進(jìn)一步，ΡΙ感濕膜厚度為0.54 μ m。
[0010]本實(shí)用新型的有益效果是采用孔狀上電極替代現(xiàn)有濕敏元件柵狀上電極，無需上電極結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和均勻電荷分布作用的均流條，使得通過上電極各孔進(jìn)入感濕膜的水氣分子的擴(kuò)散路程近似相等，且可隨孔間距的減少而減少，相同條件下，孔狀上電極濕敏元件與柵狀上電極濕敏元件相比，響應(yīng)時(shí)間可得到最大程度的改善。
【附圖說明】
[0011]圖1孔狀上電極平行板電容式濕敏元件平面圖；
[0012]圖2孔狀上電極平行板電容式濕敏元件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3孔狀上電極平行板電容式濕敏元件制作工藝流程圖；
[0014]圖4孔狀上電極平行板電容式濕敏元件上電極孔距示意圖；
[0015]圖5孔狀上電極與柵狀上電極濕敏元件動態(tài)特性比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0017]本實(shí)用新型孔狀上電極平行板電容式濕敏元件如圖1和圖2所示，由上至下分別為孔狀上電極2、PI感濕膜4、平板下電極6、Si02絕緣層7和Si基底8，Si基底8可選用硅片，上電極2和下電極6為Mo - A1電極，其中，孔狀上電極2設(shè)有若干排列整齊的上電極孔3，上電極孔3的孔徑優(yōu)選為2 μ m，上電極孔3間中心最小間距優(yōu)選為4 μ m，通過刻蝕PI感濕膜4形成的2個(gè)下電極引線孔5，用于氬焊下電極引線。本實(shí)用新型中，PI感濕膜4由預(yù)先配置的聚酰亞氨酸經(jīng)勻膠機(jī)硅片涂覆，再經(jīng)亞胺化形成，其厚度通過控制聚酰亞氨酸濃度、涂覆用量、及勻膠機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)得到，優(yōu)選厚度為0.54 μπι。本實(shí)用新型中采用Mo -A1復(fù)合電極是通過粘附性更強(qiáng)的鉬(Mo)強(qiáng)化電極引線的易焊性，鋁電極的使用降低了濕敏元件成本，并增加了其壽命。環(huán)境濕度升高時(shí)，水氣分子1穿過上電極孔3擴(kuò)散進(jìn)入PI感濕膜4，環(huán)境濕度降低時(shí)，水氣分子1自PI感濕膜4穿過上電極孔3擴(kuò)散進(jìn)入環(huán)境。
[0018]本實(shí)用新型平行板電容式濕敏元件的制作工藝如圖3所示，首先清洗硅片，硅片氧化形成絕緣層，蒸鍍下電極，下電極涂覆聚酰亞胺酸、亞胺化，蒸鍍上電極，上電極孔狀圖形磷酸刻蝕，通過磷酸刻蝕電極、等離子刻蝕感濕膜形成劃片道，等離子刻蝕PI感濕膜形成下電極引線孔，最后切片、氬焊、封裝。
[0019]本實(shí)用新型孔狀上電極避免了柵狀上電極考慮柵齒過窄易斷裂及均勻電荷分布而設(shè)置的面積比例大、寬度寬的均流條，使各孔進(jìn)入感濕膜的水分子擴(kuò)散路徑相等，在未增加成本和工藝復(fù)雜度的前提下，可有效改善濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間。
[0020]本實(shí)用新型一種孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，面積3mmX3mm，上電極有源區(qū)面積2mmX 2mm，孔距如圖4所示，其中孔直徑2 μ m，孔中心間距SI = S2 = 4 μ m，上電極面積2.5mm2;經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其余相同條件下，本實(shí)用新型孔狀上電極平行板電容式濕敏元件的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間比現(xiàn)有柵狀上電極平行板電容式濕敏元件改善了至少30 %。
[0021]圖5示出了現(xiàn)有柵狀上電極濕敏元件(面積3mmX3mm，上電極有源區(qū)面積2mm X 2臟，其中柵齒寬度2 μ m，柵齒間隙寬度2 μ m，上電極面積2.5mm2，均流條寬度50 μ m，占上電極面積比例40% )和本實(shí)用新型濕敏元件動態(tài)特性比較，其中，柵狀上電極濕敏元件的動態(tài)特性數(shù)據(jù)來源于25°C自相對濕度為33.2% RH(MgCl2飽和鹽溶液)到相對濕度為75.8%RH(NaCl飽和鹽溶液)的升濕響應(yīng)測試結(jié)果，動態(tài)特性測試基于飽和鹽溶液法，平衡時(shí)間為5s，測試時(shí)間小于10s，孔狀上電極濕敏元件的動態(tài)特性數(shù)據(jù)來源于數(shù)值模擬，圖中縱坐標(biāo)為無量綱電容值，橫坐標(biāo)為時(shí)間。
[0022]由圖5可以看出，孔狀上電極濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間明顯優(yōu)于柵狀上電極濕敏元件，尤其試驗(yàn)后期。
[0023]以上所述僅是對本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式而已，并非對本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，其特征在于:由上至下分別為孔狀上電極、PI感濕膜、平板下電極、Si02*緣層和Si基底，其中，上電極設(shè)有若干排列整齊的上電極孔，PI感濕膜上設(shè)有2個(gè)下電極引線孔。2.按照權(quán)利要求1所述一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，其特征在于:所述Si基底選用硅片，所述上電極和下電極為Mo - A1電極。3.按照權(quán)利要求1所述一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，其特征在于:所述上電極孔的孔徑為2 μπι，上電極孔間中心最小間距為4 μπι。4.按照權(quán)利要求1所述一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，其特征在于:ΡΙ感濕膜厚度為0.54 μ m0
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種微型快速響應(yīng)孔狀上電極平行板電容式濕敏元件，由上至下分別為孔狀上電極、PI感濕膜、平板下電極、SiO2絕緣層和Si基底，其中，上電極設(shè)有若干排列整齊的上電極孔，PI感濕膜上設(shè)有2個(gè)下電極引線孔。制作時(shí)，首先清洗硅片，硅片氧化形成絕緣層，蒸鍍下電極，下電極涂覆聚酰亞胺酸、亞胺化，蒸鍍上電極，上電極孔狀圖形磷酸刻蝕，使用磷酸刻蝕電極、等離子刻蝕感濕膜形成劃片道，使用等離子刻蝕感濕膜形成下電極引線孔，最后切片、氬焊、封裝。本實(shí)用新型的有益效果是相同條件下，孔狀上電極濕敏元件與柵狀上電極相比，響應(yīng)時(shí)間可得到最大程度的改善。
【IPC分類】G01N27/22
【公開號】CN205067412
【申請?zhí)枴緾N201520417725
【發(fā)明人】周文和, 王良璧, 李耀亮, 許鳳, 李建霞, 王良成, 何炫, 成紅娟
【申請人】蘭州交通大學(xué)
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年6月15日