[发明专利]一种微型快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件

说明书

技术领域

本发明属于湿度测量与控制技术领域，涉及一种微型快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件。

背景技术

湿度测量与控制紧密相关于社会生活、工农业生产等。某些领域，如呼吸系统疾病诊治、燃料电池汽车等，不但需要湿敏元件具有准确、可靠等静态特性，还要求湿敏元件能够快速响应测量环境湿度的瞬态变化。现有湿敏元件的静态特性相对较好，但其市场化产品的动态特性不尽人意(通常几十秒)。

目前广泛使用的栅状上电极平行板电容式湿敏元件多基于Si基片和聚酰亚胺感湿膜(PI)，聚酰亚胺(PI)高分子感湿膜是多孔介质，能够吸附气体，且介电常数较小，而水气分子的介电常数较大，当感湿膜吸附湿空气中水气分子后，感湿膜介电常数ε_s显著线性变化，并对应于感湿膜吸附水气分子不同的浓度。当环境湿度突然变大时，由于环境与感湿膜内水气分子浓度差的原因，环境气体中水气分子自栅状上电极的栅齿间隙进入感湿膜表面，然后纵向向下和横向左右扩散至上电极栅齿覆盖的感湿膜区域，扩散越快，湿敏元件响应时间越短。可以看出，相同条件下，栅状上电极栅齿越窄(覆盖区域越窄)和感湿膜越薄，水气分子扩散路程越短，则水气分子扩散越快，湿敏元件响应时间越短；反之亦然。

为了强化栅状上电极的结构和均匀电荷分布，栅状上电极须设置均流条，均流条宽度远大于栅状上电极栅齿宽度，且面积约占栅状上电极总面积30％-40％。均流条的存在增加了水气分子扩散的路程，使得通过追求过小栅状上电极栅齿宽度改善湿敏元件动态响应时间的效果不能明显。如此，栅状上电极均流条的存在制约了湿敏元件动态响应时间的进一步改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件，无需均流条，解决现有栅状上电极平行板电容式湿敏元件须设置占上电极总面积相当比例、较宽的上电极均流条导致水气分子扩散路径过长，使得通过减小栅状上电极栅齿宽度方法改善湿敏元件响应时间的效果不能明显的问题。

本发明所采用的技术方案是由上至下分别为孔状上电极、PI感湿膜、平板下电极、SiO₂绝缘层和Si基底，其中，上电极设有若干排列整齐的上电极孔，PI感湿膜上设有2个下电极引线孔。

进一步，所述Si基底选用硅片，所述上电极和下电极为Mo－Al电极。

进一步，所述上电极孔的孔径为2μm，上电极孔间中心最小间距为4μm。

进一步，PI感湿膜由预先配置的聚酰亚氨酸经匀胶机硅片涂覆，再经亚胺化形成，其厚度为0.54μm。

一种微型快速响应孔状上电极平行板电容式湿敏元件的制作工艺，首先清洗硅片，硅片氧化形成绝缘层，蒸镀下电极，下电极涂覆聚酰亚胺酸、亚胺化，蒸镀上电极，上电极孔状图形磷酸刻蚀，使用磷酸刻蚀电极、等离子刻蚀感湿膜形成划片道，等离子刻蚀PI感湿膜形成下电极引线孔，最后切片、氩焊、封装。

本发明的有益效果是采用孔状上电极替代现有湿敏元件栅状上电极，无需上电极结构强化和均匀电荷分布作用的均流条，使得通过上电极各孔进入感湿膜的水气分子的扩散路程近似相等，且可随孔间距的减少而减少，相同条件下，孔状上电极湿敏元件与栅状上电极湿敏元件相比，响应时间可得到最大程度的改善。

附图说明

图1孔状上电极平行板电容式湿敏元件平面图；

图2孔状上电极平行板电容式湿敏元件结构示意图；

图3孔状上电极平行板电容式湿敏元件制作工艺流程图；

图4孔状上电极平行板电容式湿敏元件上电极孔距示意图；

图5孔状上电极与栅状上电极湿敏元件动态特性比较图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。