濕度傳感器、濕度傳感器陣列及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器制造領域，特別涉及一種濕度傳感器、濕度傳感器陣列及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門，人們經常需要對環境濕度進行測量及控制。人類的生存和社會活動與濕度密切相關。隨著現代化的發展，很難找出一個與濕度無關的領域。由于應用領域不同，對濕度傳感器的技術要求也不同。
[0003]基于電學性質的濕敏元件是最簡單的濕度傳感器，其主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，稱為敏感薄膜，當空氣中的水蒸氣吸附在敏感薄膜上或滲入敏感薄膜內時，元件的電阻率發生變化，而變化量與水蒸氣濃度有一定關系，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電容一般是用高分子薄膜(也稱為敏感薄膜)作為電容的介電材料，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯等。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電材料吸收的水汽就會改變，其表觀的介電常數也就發生了變化，使其電容量變化。其電容變化量與相對濕度成正相關。
[0004]然而，現有的濕度傳感器感濕材料或敏感薄膜均無法快速響應，也無法區分空氣中或環境氣體中其他氣體的成分及含量。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種濕度傳感器及其制備方法，能夠大大減小響應時間，提高響應速度，可以準確測量濕度，并且能夠準確區分環境氣體的氣體組分、含量等。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種濕度傳感器，包含:襯底、金屬電極及敏感薄膜，其中，所述金屬電極和敏感薄膜均形成在所述襯底上，所述敏感薄膜覆蓋所述金屬電極；所述敏感薄膜吸附的氣體的成分或含量不同，其電抗不同。
[0007]本發明實施方式相對于現有技術而言，濕度傳感器中敏感薄膜包括氧化石墨烯，其可以使響應時間大大減小，響應幅度提升，將現有技術中濕度傳感器幾秒到幾分鐘的響應時間提升到0.1秒以下，不僅能夠測量環境氣體的濕度(即水汽含量)而且可以分析環境氣體中混入的一些其他蒸汽組分，例如酒精、丙酮、鹽酸等。
[0008]可選的，在所述的濕度傳感器中，所述敏感薄膜材質為以下任意之一或其兩兩組合的混合物或三者組合的混合物:
[0009]氧化石墨烯、有機高分子聚合物或無機金屬氧化物。
[0010]可選的，所述敏感薄膜為多孔狀，使其具有很大的比表面積，提升其與環境氣體接觸面積，從而提高濕度傳感器的靈敏度。
[0011]可選的，在所述的濕度傳感器中，還包括加熱電阻結構，所述加熱電阻結構形成在所述襯底遠離所述金屬電極一側的表面上，或，所述加熱電阻結構形成在所述襯底和所述金屬電極之間，所述加熱電阻結構和所述金屬電極之間形成有隔離層，或，所述加熱電阻結構與所述金屬電極位于同一層，并且相互隔離。
[0012]可選的，在所述的濕度傳感器中，所述金屬電極包括第一金屬電極和第二金屬電極，所述第一金屬電極和第二金屬電極之間相互隔離。
[0013]可選的，在所述的濕度傳感器中，所述第一金屬電極和第二金屬電極為插指狀或樹狀。
[0014]本發明實施方式相對于現有技術而言結構更加簡單，只需要兩個電極即可，然而基于此卻可以進行多種多樣的測試，可以測電阻、電容、阻抗、品質因數、相位角等。
[0015]可選的，在所述的濕度傳感器中，所述加熱電阻結構為蛇形，位于敏感薄膜下方。
[0016]另外，在襯底上形成加熱電極結構，可以在濕度傳感器使用前及使用后先使用加熱電極結構對濕度傳感器進行加熱，排出敏感薄膜內的濕氣等，以使敏感薄膜的性能恢復，提高濕度傳感器的使用壽命，防止老化。
[0017]可選的，在所述的濕度傳感器中，所述第一金屬電極、第二金屬電極以及加熱電阻結構均設有焊盤，所述敏感薄膜暴露出所述焊盤。
[0018]可選的，在所述的濕度傳感器中，還包括分別與所述焊盤相連的鍵合引線，所述鍵合引線為鋁引線或金引線。
[0019]可選的，在所述的濕度傳感器中，還包括絕緣層，所述絕緣層形成覆蓋所述第一金屬電極和第二金屬電極，所述絕緣層的材質為二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅。覆蓋第一金屬電極和第二金屬電極之間的絕緣層能夠在測量電容時減小兩電極之間的漏電，讓測試更加準確。
[0020]本發明的實施方式還提供了一種濕度傳感器陣列，包含:包括多個如上文所述的濕度傳感器，所述濕度傳感器的敏感薄膜材料為氧化石墨烯與有機高分子聚合物或氧化石墨稀與無機金屬氧化物的混合物，或者為氧化石墨稀、有機高分子聚合物、無機金屬氧化物三者的混合物，在所述濕度傳感器陣列中，不同濕度傳感器的敏感薄膜中各組分比例均不相同。
[0021]本發明實施方式相對于現有技術而言，濕度傳感器陣列中濕度傳感器的敏感薄膜中各組分比例均不相同，不同組分比例的敏感薄膜對于氣體呈現出不同的特性。這些不同特性具體可以表現為:對于不同成分、不同濃度的氣體各個傳感器具有不同的響應幅度，響應速度，響應波形特點，噪聲譜特性等，利用統計學中的模式識別或聚類算法(如貝葉斯決策方法、費舍爾線性判別算法、K臨近分類算法、主成分分析、線性判別分析等)可以統計分析不同器件的不同響應特征，從而更加準確的識別環境氣體中的各組分以及更加準確的檢測出環境氣體各組分的含量。
[0022]本發明的實施方式還提供了一種濕度傳感器的制備方法，包含以下步驟:
[0023]提供襯底；
[0024]在所述襯底上形成金屬電極；
[0025]在所述襯底及金屬電極上形成敏感薄膜。
[0026]可選的，在所述濕度傳感器的制備方法中，若所述襯底為導電材料，則在所述襯底上形成金屬電極之前，還在所述襯底上形成一層絕緣層。
[0027]可選的，在所述濕度傳感器的制備方法中，形成所述金屬電極的步驟包括:
[0028]在所述襯底上形成一層金屬薄膜；
[0029]在所述金屬薄膜上涂覆光刻膠；
[0030]對所述光刻膠進行曝光和顯影處理，形成圖案化的光刻膠；
[0031]以所述圖案化的光刻膠為掩膜對所述金屬薄膜進行刻蝕，獲得金屬電極；
[0032]去除所述圖案化的光刻膠。
[0033]可選的，在所述濕度傳感器的制備方法中，形成所述金屬電極的步驟包括:
[0034]在所述襯底上涂覆光刻膠；
[0035]對所述光刻膠進行曝光和顯影處理，形成圖案化的光刻膠；
[0036]在所述圖案化的光刻膠及襯底表面形成一層金屬薄膜；
[0037]進行去膠工藝，去除所述圖案化的光刻膠，獲得金屬電極。
[0038]本發明實施方式相對于現有技術而言，只用一次光刻工藝即可形成金屬電極，工藝簡單，材料成本、制作成本、工藝設備成本等較低。
[0039]可選的，在所述濕度傳感器的制備方法中，使用金屬薄膜墊積、光刻、刻蝕或剝離的工藝技術在所述襯底遠離所述金屬電極的一側表面上形成加熱電阻結構，或，在所述襯底和所述金屬電極之間形成加熱電阻結構，并在所述加熱電阻結構和所述金屬電極之間形成隔離層，或，使用金屬薄膜墊積、光刻、刻蝕或剝離的工藝技術在形成所述金屬電極時同時形成加熱電阻結構。
[0040]可選的，在所述濕度傳感器的制備方法中，在形成所述金屬電極之后，還形成一層絕緣層覆蓋所述金屬電極。
【附圖說明】
[0041]圖1a為第一實施例中濕度傳感器的俯視圖；
[0042]圖1b為第一實施例中濕度傳感器的沿圖1a中A-A’向的剖面示意圖；
[0043]圖2為第一實施例中濕度傳感器中金屬電極的俯視圖；
[0044]圖3為第二實施例中濕度傳感器中金屬電極的俯視圖；
[0045]圖4為第三實施例中濕度傳感器中金屬電極的俯視圖；
[0046]圖5為第四實施例中濕度傳感器陣列的俯視圖；
[0047]圖6為第五實施例中濕度傳感器的制備方法的流程圖；
[0048]圖7至圖16為第六實施例中濕度傳感器制備過程中的剖面示意圖；
[0049]圖17至圖21為第七實施例中濕度傳感器制備過程中的剖面示意圖。