湿度传感器、湿度传感器阵列及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器制造领域，特别涉及一种湿度传感器、湿度传感器阵列及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，人们经常需要对环境湿度进行测量及控制。人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的发展，很难找出一个与湿度无关的领域。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。
[0003]基于电学性质的湿敏元件是最简单的湿度传感器，其主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，称为敏感薄膜，当空气中的水蒸气吸附在敏感薄膜上或渗入敏感薄膜内时，元件的电阻率发生变化，而变化量与水蒸气浓度有一定关系，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜(也称为敏感薄膜)作为电容的介电材料，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电材料吸收的水汽就会改变，其表观的介电常数也就发生了变化，使其电容量变化。其电容变化量与相对湿度成正相关。
[0004]然而，现有的湿度传感器感湿材料或敏感薄膜均无法快速响应，也无法区分空气中或环境气体中其他气体的成分及含量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种湿度传感器及其制备方法，能够大大减小响应时间，提高响应速度，可以准确测量湿度，并且能够准确区分环境气体的气体组分、含量等。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种湿度传感器，包含:衬底、金属电极及敏感薄膜，其中，所述金属电极和敏感薄膜均形成在所述衬底上，所述敏感薄膜覆盖所述金属电极；所述敏感薄膜吸附的气体的成分或含量不同，其电抗不同。
[0007]本发明实施方式相对于现有技术而言，湿度传感器中敏感薄膜包括氧化石墨烯，其可以使响应时间大大减小，响应幅度提升，将现有技术中湿度传感器几秒到几分钟的响应时间提升到0.1秒以下，不仅能够测量环境气体的湿度(即水汽含量)而且可以分析环境气体中混入的一些其他蒸汽组分，例如酒精、丙酮、盐酸等。
[0008]可选的，在所述的湿度传感器中，所述敏感薄膜材质为以下任意之一或其两两组合的混合物或三者组合的混合物:
[0009]氧化石墨烯、有机高分子聚合物或无机金属氧化物。
[0010]可选的，所述敏感薄膜为多孔状，使其具有很大的比表面积，提升其与环境气体接触面积，从而提高湿度传感器的灵敏度。
[0011]可选的，在所述的湿度传感器中，还包括加热电阻结构，所述加热电阻结构形成在所述衬底远离所述金属电极一侧的表面上，或，所述加热电阻结构形成在所述衬底和所述金属电极之间，所述加热电阻结构和所述金属电极之间形成有隔离层，或，所述加热电阻结构与所述金属电极位于同一层，并且相互隔离。
[0012]可选的，在所述的湿度传感器中，所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极之间相互隔离。
[0013]可选的，在所述的湿度传感器中，所述第一金属电极和第二金属电极为插指状或树状。
[0014]本发明实施方式相对于现有技术而言结构更加简单，只需要两个电极即可，然而基于此却可以进行多种多样的测试，可以测电阻、电容、阻抗、品质因数、相位角等。
[0015]可选的，在所述的湿度传感器中，所述加热电阻结构为蛇形，位于敏感薄膜下方。
[0016]另外，在衬底上形成加热电极结构，可以在湿度传感器使用前及使用后先使用加热电极结构对湿度传感器进行加热，排出敏感薄膜内的湿气等，以使敏感薄膜的性能恢复，提高湿度传感器的使用寿命，防止老化。
[0017]可选的，在所述的湿度传感器中，所述第一金属电极、第二金属电极以及加热电阻结构均设有焊盘，所述敏感薄膜暴露出所述焊盘。
[0018]可选的，在所述的湿度传感器中，还包括分别与所述焊盘相连的键合引线，所述键合引线为铝引线或金引线。
[0019]可选的，在所述的湿度传感器中，还包括绝缘层，所述绝缘层形成覆盖所述第一金属电极和第二金属电极，所述绝缘层的材质为二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅。覆盖第一金属电极和第二金属电极之间的绝缘层能够在测量电容时减小两电极之间的漏电，让测试更加准确。
[0020]本发明的实施方式还提供了一种湿度传感器阵列，包含:包括多个如上文所述的湿度传感器，所述湿度传感器的敏感薄膜材料为氧化石墨烯与有机高分子聚合物或氧化石墨稀与无机金属氧化物的混合物，或者为氧化石墨稀、有机高分子聚合物、无机金属氧化物三者的混合物，在所述湿度传感器阵列中，不同湿度传感器的敏感薄膜中各组分比例均不相同。
[0021]本发明实施方式相对于现有技术而言，湿度传感器阵列中湿度传感器的敏感薄膜中各组分比例均不相同，不同组分比例的敏感薄膜对于气体呈现出不同的特性。这些不同特性具体可以表现为:对于不同成分、不同浓度的气体各个传感器具有不同的响应幅度，响应速度，响应波形特点，噪声谱特性等，利用统计学中的模式识别或聚类算法(如贝叶斯决策方法、费舍尔线性判别算法、K临近分类算法、主成分分析、线性判别分析等)可以统计分析不同器件的不同响应特征，从而更加准确的识别环境气体中的各组分以及更加准确的检测出环境气体各组分的含量。
[0022]本发明的实施方式还提供了一种湿度传感器的制备方法，包含以下步骤:
[0023]提供衬底；
[0024]在所述衬底上形成金属电极；
[0025]在所述衬底及金属电极上形成敏感薄膜。
[0026]可选的，在所述湿度传感器的制备方法中，若所述衬底为导电材料，则在所述衬底上形成金属电极之前，还在所述衬底上形成一层绝缘层。
[0027]可选的，在所述湿度传感器的制备方法中，形成所述金属电极的步骤包括:
[0028]在所述衬底上形成一层金属薄膜；
[0029]在所述金属薄膜上涂覆光刻胶；
[0030]对所述光刻胶进行曝光和显影处理，形成图案化的光刻胶；
[0031]以所述图案化的光刻胶为掩膜对所述金属薄膜进行刻蚀，获得金属电极；
[0032]去除所述图案化的光刻胶。
[0033]可选的，在所述湿度传感器的制备方法中，形成所述金属电极的步骤包括:
[0034]在所述衬底上涂覆光刻胶；
[0035]对所述光刻胶进行曝光和显影处理，形成图案化的光刻胶；
[0036]在所述图案化的光刻胶及衬底表面形成一层金属薄膜；
[0037]进行去胶工艺，去除所述图案化的光刻胶，获得金属电极。
[0038]本发明实施方式相对于现有技术而言，只用一次光刻工艺即可形成金属电极，工艺简单，材料成本、制作成本、工艺设备成本等较低。
[0039]可选的，在所述湿度传感器的制备方法中，使用金属薄膜垫积、光刻、刻蚀或剥离的工艺技术在所述衬底远离所述金属电极的一侧表面上形成加热电阻结构，或，在所述衬底和所述金属电极之间形成加热电阻结构，并在所述加热电阻结构和所述金属电极之间形成隔离层，或，使用金属薄膜垫积、光刻、刻蚀或剥离的工艺技术在形成所述金属电极时同时形成加热电阻结构。
[0040]可选的，在所述湿度传感器的制备方法中，在形成所述金属电极之后，还形成一层绝缘层覆盖所述金属电极。
【附图说明】
[0041]图1a为第一实施例中湿度传感器的俯视图；
[0042]图1b为第一实施例中湿度传感器的沿图1a中A-A’向的剖面示意图；
[0043]图2为第一实施例中湿度传感器中金属电极的俯视图；
[0044]图3为第二实施例中湿度传感器中金属电极的俯视图；
[0045]图4为第三实施例中湿度传感器中金属电极的俯视图；
[0046]图5为第四实施例中湿度传感器阵列的俯视图；
[0047]图6为第五实施例中湿度传感器的制备方法的流程图；
[0048]图7至图16为第六实施例中湿度传感器制备过程中的剖面示意图；
[0049]图17至图21为第七实施例中湿度传感器制备过程中的剖面示意图。