一種快速響應孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于濕度測量與控制技術領域，涉及一種快速響應孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件。
【背景技術】
[0002]濕度測量與控制緊密相關于社會生活、工農業生產等。某些領域，如呼吸系統疾病診治、燃料電池汽車等，不但需要濕敏元件具有準確、可靠等靜態特性，還要求濕敏元件能夠快速響應測量環境濕度的瞬態變化。現有濕敏元件的靜態特性相對較好，但其市場化產品的動態特性不盡人意(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，能夠吸附氣體，且介電常數較小，而水氣分子的介電常數較大，當感濕膜吸附濕空氣中水氣分子后，感濕膜介電常數ε s顯著線性變化，并對應于感濕膜吸附水氣分子不同的濃度，其值ε s可由Looyenga經驗公式進行描述。當環境濕度突然變大時，由于環境與感濕膜內水氣分子濃度差的原因，環境氣體中水氣分子自柵狀上電極的柵齒間隙進入感濕膜表面，然后縱向向下和橫向左右擴散至上電極柵齒覆蓋的感濕膜區域，擴散越快，濕敏元件響應時間越短。可以看出，相同條件下，柵狀上電極柵齒越窄(覆蓋區域越窄)和感濕膜越薄，水氣分子擴散路程越短，則水氣分子擴散越快，濕敏元件響應時間越短；反之亦然。
[0004]為了強化柵狀上電極的結構和均勻電荷分布，柵狀上電極須設置均流條，均流條寬度遠大于柵狀上電極柵齒寬度，且面積約占柵狀上電極總面積40%。均流條的存在增加了水氣分子擴散的路程，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響應時間的效果不能明顯。如此，柵狀上電極均流條的存在制約了濕敏元件動態響應時間的進一步改善。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種快速響應孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件，無需均流條，解決現有柵狀上電極平行板電容式濕敏元件須設置占上電極總面積相當比例、較寬的上電極均流條導致水氣分子擴散路徑過長，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時間的效果不能明顯的問題。
[0006]本實用新型所采用的技術方案是由上至下分別為孔狀上電極、孔狀PI感濕膜、平板下電極、Si02*緣層和Si基底，其中，孔狀上電極設有若干排列整齊的上電極孔，孔狀PI感濕膜上設有若干排列整齊的感濕膜孔，感濕膜孔和上電極孔上下一一對應構成水氣分子的擴散通道，下電極引線通過設于PI感濕膜上的2個下電極引線孔與下電極氬焊連接。
[0007]進一步，所述Si基底選用硅片，所述孔狀上電極和平板下電極為Mo - A1電極。
[0008]進一步，所述上電極孔的孔徑為2 μ m，上電極孔中心最小間距為4 μπι。
[0009]進一步，所述孔狀ΡΙ感濕膜厚度為0.54 μ m。
[0010]本實用新型的有益效果是相同條件下，孔狀上電極和感濕膜濕敏元件與柵狀上電極濕敏元件相比，響應時間可得到最大程度的改善。
【附圖說明】
[0011]圖1孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件平面圖；
[0012]圖2孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件結構示意圖；
[0013]圖3孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件制作工藝流程圖；
[0014]圖4孔狀上電極和感濕膜濕敏元上電極孔距示意圖；
[0015]圖5孔狀上電極和感濕膜與柵狀上電極濕敏元件動態特性比較圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0017]本實用新型孔狀上電極和感濕膜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、孔狀PI感濕膜4、平板下電極7、Si02絕緣層8和Si基底9，Si基底9可選用硅片，孔狀上電極2和平板下電極7為Mo — A1電極，其中，孔狀上電極2設有若干排列整齊的上電極孔3，上電極孔3的孔徑優選為2 μ m，上電極孔3間中心最小間距優選為4 μ m，孔狀PI感濕膜4上設有若干排列整齊的感濕膜孔6，感濕膜孔6和上電極孔3上下一一對應構成水氣分子1的擴散通道。通過刻蝕孔狀PI感濕膜4形成的下電極引線孔5，用于氬焊下電極引線。
[0018]本實用新型中，孔狀PI感濕膜4由預先配置的聚酰亞氨酸經勻膠機硅片涂覆，再經亞胺化、等離子刻蝕孔狀圖形形成，其厚度通過控制聚酰亞氨酸濃度、涂覆用量、及勻膠機每分鐘轉數得到，優選厚度為0.54 μ mo本實用新型中采用Mo - A1復合電極是通過粘附性更強的鉬(Mo)強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ο
[0019]本實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，感濕膜孔狀圖形等離子刻蝕，使用磷酸刻蝕上電極、等離子刻蝕感濕膜形成劃片道，刻蝕感濕膜形成下電極引線孔，最后切片、氬焊、封裝。
[0020]本實用新型孔狀上電極和感濕膜孔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置的面積比例大、寬度寬的均流條，使水氣分子通過上電極孔和感濕膜孔直接擴散至上電極覆蓋感濕膜區域，擴散路徑大為縮短，可有效改善濕敏元件的響應時間。
[0021]本實用新型一種孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件，面積3mmX3mm，上電極有源區面積2mmX 2mm，其中孔直徑2 μ m，圖4示出孔中心間距SI = S2 = 4 μπι，上電極面積2.5mm2;經試驗驗證，其余相同條件下，本實用新型孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件的動態響應時間比現有柵狀上電極平行板電容式濕敏元件改善了約40 %。
[0022]圖5示出了現有柵狀上電極濕敏元件(面積3mmX3mm，上電極有源區面積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% )和本實用新型濕敏元件動態特性比較，其中，柵狀上電極濕敏元件的動態特性數據來源于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)的升濕響應測試結果，動態特性測試基于飽和鹽溶液法，平衡時間為5s，測試時間小于10s，孔狀上電極濕敏元件的動態特性數據來源于數值模擬，圖中縱坐標為無量綱電容值，橫坐標為時間。
[0023]由圖5可以看出，孔狀上電極和感濕膜濕敏元件的響應時間明顯優于柵狀上電極濕敏元件，尤其試驗后期。
[0024]以上所述僅是對本實用新型的較佳實施方式而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本實用新型技術方案的范圍內。
【主權項】
1.一種快速響應孔狀上電極和感濕膜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、孔狀PI感濕膜、平板下電極、Si02*緣層和Si基底，其中，孔狀上電極設有若干排列整齊的上電極孔，孔狀PI感濕膜上設有若干排列整齊的感濕膜孔，感濕膜孔和上電極孔上下一一對應構成水氣分子的擴散通道，PI感濕膜設有2個下電極引線孔，用于氬焊下電極引線。2.按照權利要求1所述一種快速響應孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件，其特征在于:所述Si基底選用硅片，所述孔狀上電極和平板下電極為Mo - A1電極。3.按照權利要求1所述一種快速響應孔狀上電極和感濕膜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，上電極孔中心最小間距為4 μπι。4.按照權利要求1所述一種快速響應孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件，其特征在于:所述孔狀ΡΙ感濕膜厚度為0.54 μ m0
【專利摘要】本實用新型公開了一種快速響應孔狀上電極和感濕膜平行板電容式濕敏元件，由上至下分別為孔狀上電極、孔狀PI感濕膜、平板下電極、SiO2絕緣層和Si基底，其中，孔狀上電極設有若干排列整齊的上電極孔，孔狀PI感濕膜上設有若干排列整齊的感濕膜孔，PI感濕膜設有2個下電極引線孔，用于氬焊下電極引線。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，感濕膜孔狀圖形等離子刻蝕，使用磷酸刻蝕上電極、等離子刻蝕感濕膜形成劃片道，刻蝕PI感濕膜形成下電極引線孔，最后切片、氬焊、封裝。本實用新型的有益效果是響應時間可得到最大程度的改善。
【IPC分類】G01N27/22
【公開號】CN205067413
【申請號】CN201520417766
【發明人】周文和, 王良璧, 陳美娟, 陳玉英, 李志偉, 王良成, 李思思, 董昕玥
【申請人】蘭州交通大學
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年6月15日