專利名稱：一種溫濕雙功能敏感薄膜元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由鋁、鈦薄膜電阻式溫敏元件和聚酰亞胺薄膜電容式濕敏元件結(jié)合而成的溫、濕雙功能敏感薄膜元件及其制造方法，屬于電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
對(duì)溫度和濕度的檢測(cè)，現(xiàn)有技術(shù)中有采用溫、濕雙功能薄膜傳感器的。美國(guó)專利US4603372描述了一種溫度或濕度薄膜傳感器及其制造方法。該傳感器是在同一塊印刷線路板襯底上制作了一個(gè)銅薄膜電阻式溫敏元件和一個(gè)聚合物薄膜電容式濕敏元件，前者的彎曲條狀電阻帶還兼作后者的一個(gè)極板。該傳感器的缺點(diǎn)是不能同時(shí)對(duì)溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，只能在同一時(shí)間內(nèi)要么作為溫敏元件，要么作為濕敏元件使用;尺寸較大，難以伸入小的空間檢測(cè)溫度或濕度;制造工藝與集成電路工藝完全不相容，不利于批量生產(chǎn)和無法繼續(xù)開發(fā)成帶有集成電路的溫、濕雙功能薄膜傳感器。中國(guó)專利CN88102279.9描述了一種薄膜電阻溫度傳感器及其制造方法。該傳感器以彎曲條狀鈦、鋁薄膜電阻帶作溫敏元件，用集成電路工藝制成，但不能檢測(cè)濕度。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的溫、濕雙功能敏感薄膜元件及其制造方法。該敏感元件是在中國(guó)專利CN88102279.9所述的專利技術(shù)基礎(chǔ)上，把鈦、鋁薄膜電阻溫度傳感器和聚酰亞胺薄膜式濕敏元件集成在一起構(gòu)成的，體積小巧，可同時(shí)檢測(cè)環(huán)境中同一點(diǎn)的溫度和濕度。


圖1.溫、濕雙功能敏感薄膜元件芯片的結(jié)構(gòu)和局部介剖圖，其中1硅基片，2二氧化硅絕緣層，3鈦膜，4鋁膜，5聚酰亞胺膜，6金膜，7引線，8下電極Ⅰ，9下電極Ⅱ，10上電極，11襯底。
圖2.溫、濕雙功能敏感薄膜元件的電容-相對(duì)濕度(C-%RH)濕敏特性。
圖3.溫、濕雙功能敏感薄膜元件的電阻-溫度(R-T)溫敏特性。
圖4溫、濕雙功能敏感薄膜元件的感濕響應(yīng)特性。
圖5，溫、濕雙功能敏感薄膜元件的感溫響應(yīng)特性。
圖6，溫、濕雙功能敏感薄膜元件的感濕溫度特性。
本發(fā)明的敏感元件芯片的結(jié)構(gòu)是在二氧化硅絕緣層2上淀積濕敏電容的兩個(gè)鋁、鈦雙層薄膜下電極，一個(gè)是彎曲條狀的下電極Ⅱ9，它同時(shí)為溫敏元件的電阻帶;另一個(gè)是叉指狀的下電極Ⅰ8。在聚酰亞胺膜5上淀積有一層很薄的金膜6，蝕刻后作為上電極10。上電極10分別與下電極Ⅰ8、下電極Ⅱ9各形成一個(gè)電容器，兩個(gè)電容通過上電極10串聯(lián)起來。測(cè)濕范圍為0-100%RH，測(cè)溫范圍是負(fù)50-正150℃，線性度好、響應(yīng)快，而且不必加熱清洗。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法是在高溫氧化爐中，用熱氧化法在拋光硅基片1的至少一邊的表面生長(zhǎng)厚度為6000-10000埃的二氧化硅絕緣層2作為襯底11，在10-5-10-6乇的真空室中，在二氧化硅絕緣層2上用純度都高于99.97%的鈦和鋁金屬材料用電阻加熱蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)、或?yàn)R射法先淀積一層鈦膜3，隨后在所淀積的鈦膜3上再淀積一層鋁膜4。淀積鈦、鋁薄膜時(shí)硅基片1加熱到100-350℃，淀積速度控制在每秒3-25埃之間。鈦膜3的厚度為500-700埃，鋁膜4的厚度為4000-7000埃。隨后涂光刻膠，用金屬圖案掩膜版進(jìn)行曝光，用濕法(或干法)腐蝕掉多余的光刻膠，形成掩膜版的彎曲條狀電阻帶下電極Ⅱ9和叉指狀下電極Ⅰ8的微細(xì)圖案。在光刻膠的保護(hù)下，用磷酸溶液蝕刻鋁膜4至鈦膜5顯露出來為止，再用稀的氫氟酸蝕刻鈦膜5直至形成一個(gè)彎曲條狀電阻帶，作為下電極Ⅱ9和另一個(gè)叉指狀電極，作為下電極Ⅰ8，它們的寬度為4-6μm，電阻帶的長(zhǎng)寬比為(1.2-1.9)×104。寬度蝕刻誤差不超過±1μm。在下電極Ⅱ9的兩端各有一個(gè)外接引線的鍵合腳，在下電極Ⅰ8中部邊緣也有一個(gè)鍵合腳。鋁、鈦雙層金屬薄膜的電阻值為600-1300Ω，電阻正溫度系數(shù)約+4200×10-6/℃，在負(fù)50-正150℃的測(cè)溫范圍內(nèi)最大非線性度小于0.5%。接著涂聚酰亞胺膠，用甩膠法使聚酰亞胺膠分布均勻，厚度控制在3000-6000埃。隨后涂光刻膠，用聚酰亞胺圖案掩膜版對(duì)在二氧化硅絕緣層2上已有的金屬微細(xì)圖案進(jìn)行套準(zhǔn)和曝光。用濕法(或干法)光刻或等離子刻蝕技術(shù)蝕刻掉多余的光刻膠，形成掩膜版的矩形圖案，其尺寸為1.4×1.3mm。在光刻膠保護(hù)下，用干法蝕刻掉多余的聚酰亞胺，留下矩形的聚酰亞胺膜5遮蓋住下電極Ⅱ9和下電極Ⅰ8，空出三個(gè)鍵合腳。隨后在純度為99.99%的氮?dú)獾母邷貭t內(nèi)燒結(jié)固化，溫度為250-300℃，時(shí)間為1小時(shí)。接著在10-5-10-6乇的真空室中，在固化的聚酰亞胺膜5上用電阻加熱蒸發(fā)法，電子束蒸發(fā)法，或?yàn)R射法淀積一層純度高于99.97%的金膜6。淀積金膜6時(shí)硅基片1溫度為100-200℃，淀積速率控制在每秒3-25埃之間。金膜6的厚度為250-500埃。隨后再涂光刻膠，用金膜掩膜版對(duì)已成形的聚酰亞胺膜5進(jìn)行套準(zhǔn)和曝光，用濕法(或干法)腐蝕掉多余的光刻膠，形成邊緣略小于聚酰亞胺膜5邊緣的矩形金膜，其尺寸略小于1.4×1.3mm，作為上電極10。接著去掉光刻膠，劃片成為所需的溫、濕雙功能敏感元件的芯片。用導(dǎo)電膠把芯片粘接于金屬管座，再在約200℃的溫度中燒結(jié)牢固。用硅鋁絲7鍵合芯片的鍵壓腳和管座的外引線，使其電氣連接。檢測(cè)合格的敏感元件，用有透氣孔的管帽封焊，最后進(jìn)行老化處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列特點(diǎn)1.測(cè)濕、測(cè)溫范圍寬、性能好。
測(cè)濕范圍0-100%RH測(cè)溫范圍負(fù)50-正150℃測(cè)濕精度±3%RH(25℃)測(cè)溫精度±0.5℃感濕靈敏度0.1PF/%RH感濕溫度系數(shù)負(fù)0.16%RH/℃(5-50℃)感濕響應(yīng)時(shí)間＜16秒(90%量程)感溫響應(yīng)時(shí)間＜16秒(63%量程)2.結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、加工簡(jiǎn)易。
采用集成方式將濕敏元件與溫敏元件結(jié)合在一起。芯片體積為1.6×1.6×0.4mm。只需薄膜工藝，不必對(duì)硅基片進(jìn)行微細(xì)加工;易于引出外引線，工藝簡(jiǎn)便。
3.性能穩(wěn)定、可靠。
聚酰亞胺薄膜濕敏元件的特點(diǎn)是不怕空氣中的污染，不必加熱清洗。同時(shí)聚酰亞胺膜對(duì)鋁、鈦薄膜溫敏元件起了鈍化保護(hù)作用，防止了電解腐蝕。該溫、濕雙功能敏感薄膜元件已經(jīng)5個(gè)月以上的存貯可靠性試驗(yàn)，性能穩(wěn)定、可靠。
本發(fā)明溫、濕雙功能敏感薄膜元件能同時(shí)檢測(cè)環(huán)境中同一點(diǎn)的溫度和濕度，并具有測(cè)量范圍寬，線性度好，不需加熱清洗、響應(yīng)快、體積小等特點(diǎn)。其制造工藝與集成電路完全相容，不僅有助于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，而且還有助于進(jìn)一步開發(fā)成帶集成電路的溫、濕雙功能敏感薄膜元件。所以本發(fā)明溫、濕雙功能敏感薄膜元件是一種在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、貯存、管理以及日常生活中均有廣泛應(yīng)用前景的溫、濕敏感元件。
權(quán)利要求
1.一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件，其特征是，所用芯片的結(jié)構(gòu)為，以至少一邊生長(zhǎng)有二氧化硅絕緣層2的硅基片1作為襯底11，在襯底11的二氧化硅絕緣層2上淀積一層鈦膜3，在鈦膜3上淀積一層鋁膜4，淀積的鈦、鋁雙層薄膜同時(shí)蝕刻成一個(gè)兼作下電極Ⅱ9的彎曲條狀圖案的電阻帶和另一個(gè)作為下電極I8的叉指狀圖案的電極，在淀積有下電極I8和下電極Ⅱ9的二氧化硅絕緣層2上涂上一層聚酰亞胺膜5，蝕刻成遮蓋住下電極I8、下電極Ⅱ9和空出三個(gè)鍵壓腳的矩形狀，再在聚酰亞胺膜5上淀積金膜6，蝕刻成邊緣略小于聚亞胺膜5的矩形，作為上電極10；上電極10分別與下電極I8、下電極Ⅱ9各形成一個(gè)以聚酰亞胺膜5為介質(zhì)的電容，兩個(gè)電容通過上電極10串聯(lián)起來，構(gòu)成電容式濕敏元件，引出線分別從下電極I8和下電極Ⅱ9引出；彎曲條狀圖案的電阻帶下電極Ⅱ9構(gòu)成電阻式溫敏元件，引出線分別從下電極Ⅱ9的兩端引出；上電極10上無引出線。
2.按權(quán)利要求1所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件，其特征在于濕敏元件由雙電容串聯(lián)而成，電容值在60-100PF之間，感濕靈敏度約0.1PF/%RH。
3.按權(quán)利要求1所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，包括(1)在高溫氧化爐中，使拋光硅基片1的至少一邊的表面生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層2，作為溫、濕雙功能敏感薄膜元件的襯底11。(2)在真空室中，在硅基片1的具有二氧化硅絕緣層2的一邊真空淀積一層鈦膜3，隨后在所淀積的鈦膜3上淀積一層鋁膜4。(3)將淀積成的鈦、鋁雙層薄膜蝕刻成一個(gè)彎曲條狀的下電極Ⅱ9和一個(gè)叉指狀的下電極Ⅰ8。一個(gè)彎曲條狀的下電極Ⅱ9又是溫敏元件的電阻帶。(4)在已具有下電極Ⅰ8和下電極Ⅱ9的二氧化硅絕緣層2上涂上一層聚酰亞胺膜5。(5)將聚酰亞胺膜5蝕刻成矩形狀，遮蓋住下電極Ⅰ8和下電極Ⅱ9，空出三個(gè)鍵壓腳。(6)在高溫爐中，使硅基片1上的聚酰亞胺膜5燒結(jié)固化。(7)在真空室中，在硅基片1具有聚酰亞胺膜5的一邊，真空淀積一層金膜6。(8)將金膜6蝕刻成其邊緣略小于聚酰亞胺膜5邊緣的矩形，作為上電極10。制成了所需的芯片。(9)將芯片粘接在金屬管座上，連接鍵壓腳與外引線7，使其電氣連接。(10)用有透氣孔的金屬管帽進(jìn)行封裝。(11)測(cè)試。(12)老化處理。
4.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，硅基片1的至少一邊生長(zhǎng)有二氧化硅絕緣層2，其厚度為6000-10000埃。
5.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，形成聚酰亞胺膜5的技術(shù)是甩膠法。
6.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亞胺膜5的厚度為3000-6000埃。
7.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亞胺膜5用光刻，等離子刻蝕技術(shù)形成尺寸為1.4×1.3mm的矩形。
8.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亞胺膜5在純度為99.99%的氮?dú)飧邷貭t中燒結(jié)固化，燒結(jié)的溫度為250-300℃，時(shí)間1小時(shí)。
9.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，形成金膜6的真空淀積技術(shù)是電阻加熱蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)和濺射法中的一種方法。
10.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，淀積金膜6用的金的純度高于99.97%。
11.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，真空淀積金膜6的真空度為10-5-10-6乇，硅基片1的加熱溫度為100-200℃。
12.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，所淀積的金膜6厚度為250-500埃。
13.按權(quán)利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，金膜6用光刻、腐蝕技術(shù)形成尺寸略小于1.4×1.3mm的矩形。
全文摘要
一種由聚酰亞胺薄膜電容式濕敏元件和鋁、鈦雙金屬薄膜電阻式溫敏元件結(jié)合組成的溫、濕雙功能敏感薄膜元件。這是在襯底硅片表面上先生長(zhǎng)一層二氧化硅，然后用薄膜工藝，在二氧化硅絕緣層上先后淀積鈦、鋁、聚酰亞胺、金等各種薄膜，并用掩模板使薄膜形成微細(xì)圖案。該敏感元件能同時(shí)檢測(cè)環(huán)境中同一點(diǎn)的溫度和濕度，并具有測(cè)量范圍寬，線性度好，不需加熱清洗、響應(yīng)快、體積小等特點(diǎn)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、貯存、管理以及日常生活中有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L49/00GK1043987SQ9010520
公開日1990年7月18日 申請(qǐng)日期1989年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月26日
發(fā)明者茅有福, 許德霖 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)