一种湿敏电容及其制造方法与流程

本发明涉及一种湿敏电容及其制造方法，属于电容元件技术领域。

背景技术：

在气象、环保、国防、航空、航天、航海、工业、农业、电子微电子等领域，经常需要对环境湿度进行测量及控制。电容式高分子湿度传感器因可靠性高，产品耐候性好等优点是目前最常用的湿度测量元件。

电容式高分子湿度传感器是在一种绝缘衬底上制作出以高分子敏感材料为电介质的电容，高分子电介质层的节点常数随其所吸附的水分含量而变化。该电容的上下极板由金属薄膜构成，电容信号从两个电极引出，这要求两个电极都具有一定的厚度并且可焊。为保证对湿度敏感，敏感层上的电极需要多孔透气，保证水汽可以进出敏感层。

由于湿敏元件的工艺和性能要求的特殊性，传统的湿敏电容制作方法，一般选用陶瓷片或者无碱玻璃片作为衬底材料，体积较大，且由于陶瓷片和无碱玻璃片与COMS和MEMS工艺不兼容，生产湿敏电容过程中无法实现自动化生产，人工成本高，生产效率低。

目前湿敏电容常规的生产方法有两种：一是将信号引出的焊盘制作在基底材料上，多孔电极制作在高分子湿敏薄膜上，形成串联的两个电容，这样一是增大了元件的尺寸，另一方面同一尺寸下减小了容值，降低了灵敏度。后期改型设计是采用两次金属成膜的方法，在多孔透气的金属薄膜和与下电极同时制作的焊盘间再沉积上一层较厚的金属膜层，将透气金属薄膜与焊盘连接，这样保证元件的尺寸不增加的情况下灵敏度提高，但是透气金属薄膜的厚度只能在几十纳米，工艺可控制性不好，而且该层不能对敏感材料层有效保护，容易划伤，后续应用较为不方便，导致这种电容式高分子湿度传感器可靠性差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种湿敏电容，该湿敏电容功耗小，灵敏性强，且长期稳定。

实现本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种湿敏电容，包括芯片和壳体；所述芯片封装在壳体中；所述芯片包括：上电极、感湿膜、介质层、衬底和下电极；所述感湿膜为有机聚合物感湿膜；所述介质层沉积在衬底的表面；所述感湿膜附着在介质层的表面；所述上电极设置在感湿膜上；所述上电极设有通孔；所述下电极设置在衬底的下方；所述介质层为氮化硅或氧化硅介质层；所述衬底为单晶硅衬底。

作为优选，所述壳体包括第一导电部、第二导电部和封装膜；所述下电极固定在第一导电部上；所述上电极通过导电件与第二导电部电性连接；所述封装膜覆盖壳体的开口，并将芯片封装在壳体中。

作为优选，所述导电件为金线。

作为优选，所述上电极为金、银、铝、铂、钽、铜、铬、镍、钼、铌或钛上电极，或包含至少两种以上金属的合金上电极；所述下电极为金、银、铝、铂、钽、铜、铬、镍、钼、铌或钛下电极，或包含至少两种以上金属的合金下电极。

再优选地，所述上电极为钼-铝合金上电极；所述下电极为钼-铝合金下电极。

作为优选，所述通孔为网格形通孔、格栅形通孔或圆形通孔。

作为优选，所述有机聚合物感湿膜为聚甲基丙烯酸羟乙酯感湿膜或聚酰亚胺感湿膜。

作为优选，所述感湿膜的厚度为0.4～1.2um。

本发明的第二个目的在于提供上述湿敏电容的制造方法，实现了湿敏电容的生产自动化、大批量生产，与传统的制造工艺相比，生产成本降低，产品质量稳定，可靠性得到极大的提高。

实现本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种如上所述的湿敏电容的制造方法，包括以下步骤：

1)将衬底用酸性溶液、碱性溶液依次清洗，然后依次使用离子水、丙酮和无水乙醇在超声条件下对衬底进行处理10～20min，最后用氮气吹干；

2)通过化学气相沉积的方法，在衬底的表面生长一层介质层；

3)通过自动匀胶机在介质层的表面铺设感湿膜；

4)以真空蒸镀的方式在感湿膜上设置上电极，在衬底的下方设置下电极；

5)以光刻的方法在上电极上刻蚀出通孔；

6)通过自动划片机将芯片切割；

7)将芯片封装在壳体中。

作为优选，所述步骤7)包括以下过程：

①通过自动固晶机将芯片通过导电胶固定在壳体的第一导电部上；

②通过自动绑线机将上电极与第二导电部用导电件绑定连接；

③采用封装膜覆盖壳体的开口，并将芯片封装在壳体中，得到湿敏电容。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明的湿敏电容采用单晶硅作为衬底，采用有机聚合物感湿膜，使得芯片的厚度和尺寸大大降低，湿敏电容体积小，灵敏度高；

2、本发明的湿敏电容优选采用钼-铝合金上电极和钼-铝合金下电极，大大提高电极的灵敏度和耐腐蚀性；

3、本发明的湿敏电容优选聚甲基丙烯酸羟乙酯感湿膜，仅需微米级别的厚度，即可表现出良好的吸湿性；

4、本发明的制造方法实现了湿敏电容的生产自动化、可适合大批量生产，产品质量稳定。

附图说明

图1为湿敏电容的结构示意图；

图2为实施例1检测的电容值随湿度变化的曲线图。

其中，1、芯片；11、上电极；111、通孔；12、感湿膜；13、介质层；14、衬底；15、下电极；2、壳体；21、第一导电部；22、第二导电部；23、封装膜；3、金线。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

参照图1，一种湿敏电容，包括芯片1和壳体2；所述芯片1封装在壳体2中；所述芯片1包括：上电极11、感湿膜12、介质层13、衬底14和下电极15；所述介质层13沉积在衬底14的表面；所述感湿膜12附着在介质层13的表面；所述上电极11设置在感湿膜12上；所述上电极11设有通孔111；所述下电极15设置在衬底14的下方；所述壳体2包括第一导电部21、第二导电部22和封装膜23；所述下电极15固定在第一导电部21上；所述上电极11通过金线3与第二导电部22电性连接；所述封装膜23覆盖壳体2的开口，并将芯片1封装在壳体2中。

所述介质层为氮化硅或氧化硅介质层，其厚度为50～90nm；所述衬底为单晶硅衬底，其厚度为200～400um。

具体实施方式中，所述上电极为钼-铝合金上电极；所述下电极为钼-铝合金下电极。

具体实施方式中，所述通孔为网格形通孔、格栅形通孔或圆形通孔。

具体实施方式中，所述感湿膜为聚甲基丙烯酸羟乙酯感湿膜或聚酰亚胺感湿膜，厚度为0.6～2um。

以上湿敏电容通过以下步骤制造获得：

1)将衬底用酸性溶液、碱性溶液依次清洗，然后依次使用离子水、丙酮和无水乙醇在超声条件下对衬底进行处理18min，最后用氮气吹干；

2)通过化学气相沉积的方法，在衬底的表面生长一层介质层；

3)通过自动匀胶机在介质层的表面铺设感湿膜；

4)以真空蒸镀的方式在感湿膜上设置上电极，在衬底的下方设置下电极；

5)以光刻的方法在上电极上刻蚀出通孔；

6)通过自动划片机将芯片切割成1.5X1.5mm²；

7)通过自动固晶机将芯片通过导电胶固定在壳体的第一导电部上；

8)通过自动绑线机将上电极与第二导电部用导电件绑定连接；

9)采用封装膜覆盖壳体的开口，并将芯片封装在壳体中，得到湿敏电容。

实施例1～3

实施例1～3以表格1中的材料及参数，通过具体实施方式中的制造方法制造获得湿敏电容。

表格1实施例1～3的湿敏电容的材料及参数设置

对实施例1中获得的湿敏电容进行检测：将得到的湿敏电容放置于温湿度检定箱中，调节湿度从10～90RH％范围内梯度变化，检测湿敏电容的电容值，电容值随湿度变化的曲线图如图2所示，从图中可得：在湿度10～90RH％范围内，湿敏电容对湿度的变化具有线性的响应性，且全量程内，湿滞小于1RH％，响应速度小于5秒，表现出良好的稳定性与精确性。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。