一种交替叉指式湿度传感器的制作方法

本发明属于电容式湿度传感器设备技术领域，具体涉及一种交替叉指式湿度传感器。

背景技术：

随着集成电路技术和微机电技术的不断发展，湿度传感器日益微型化、集成化和多功能化，并在现代军事、微电子器件、微机电系统和航空航天等科技前沿领域占据着举足轻重的地位；电容式湿度传感器是目前应用最为广泛的一类湿度传感器，有着结构简单、工艺成熟、灵敏度高等优点；典型结构有平行板结构和叉指结构，其中叉指结构最为常见；其基本原理是通过在高分子膜撒谎能够蒸镀电极；电极需要具备多孔性以吸收水分子，高分子膜通常都具有较高的电阻和较低的介电常数的特性，而水分子的介电常数大约在80左右，当周围环境中的水分子进入湿度敏感材料后，湿度敏感材料的结点常数会大幅增大，所以电容式湿度传感器的检测电容值也随之增加；通过外围电路检测电容信号，辅以湿度与电信号一一对应的关系，便可得到环境湿度的表征数值。

随着如今湿度传感器的应用环境日益苛刻和多元化，其可靠性问题受到了越来越多的关注；湿度传感器的基本结构叉指电容的可靠性，决定着整个传感器的质量与可靠性；这里的可靠性，不仅指使用环节的可持续性，也包括制备过程的工艺可靠性、制备成品率等。

传统的叉指电容式湿度传感器的基本结构如图4所示：叉指结构由金属溅射、剥离等基础工艺步骤完成，其中，l为叉指结构的长度，w为叉指结构的宽度，定义金属结构长宽比指标l/w，来表征叉指结构的可靠性；l/w越长，叉指结构在制备过程中越易折断，制备过程以及使用过程的可靠性越差。

传统的差值电容式湿度传感器，受制于版图面积的限制，和自身电容尽量小的指标要求，其叉指结构宽度w不可过大；为实现较大的电容值c从而达到较高的湿度检测灵敏度，只能通过增大叉指结构长度l来实现；传统的叉指电容式湿度传感器长宽比l/w可达1000（2000um/2um）甚至更高，因此在制备工艺上面临巨大的挑战，也在后续使用过程中面临严峻的可靠性问题，具体陈列如下：（1）当l/w>500：1时，金属叉指结构就会出现明显的crack现象，即叉指结构电极极易出现的自身断裂现象，且这一断裂现象为一不确定的随机过程；（2）制备过程中对外部环境尤其是振动极为敏感，遇特殊工艺步骤易折断，金属叉指结构的必要流程剥离工艺需要用到超声，该步骤振动十分强烈，造成传统叉指电容式传感器成品率较低，后续使用过程中抗干扰能力差，易受外界环境干扰和影响，造成叉指结构断裂，传感器失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种交替叉指式湿度传感器，在保证电容值的同时，大幅减小了叉指电容结构的长宽比，实现了灵敏度与可靠性的良好折衷，提升了叉指电容式湿度传感器的可靠性，提升了器件在制备过程中的成品率和使用过程中的有效寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种交替叉指式湿度传感器，包括第一叉指体和第二叉指体，所述第一叉指体包括第一主杆、第一支杆和第一电极，所述第一主杆一侧均匀设置所述第一支杆，所述第一支杆两侧均匀对称设置第一电极，所述第二叉指体包括第二主杆、第二支杆和第二电极，所述第二主杆相对第一主杆一侧均匀设置所述第二支杆，所述第二支杆两侧均匀对称设置第二电极，所述第一电极与所述第二电极交替设置，所述第一电极和所述第二电极外侧面均设置湿度敏感材料层。

优选的，所述第一主杆和第二主杆相互平行，且所述第一支杆、第一电极、第二支杆和第二电极均位于第一主杆和第二主杆之间。

优选的，所述第一支杆与第一支杆、第二支杆与第二支杆、第一支杆与第二支杆的关系均为相互平行。

优选的，所述第一电极与第一电极、第二电极与第二电极、第一电极与第二电极的关系均为相互平行。

优选的，所述第一电极的长宽之比和第二电极的长宽之比即l/w相同，且100≤l/w≤200。

优选的，所述湿度敏感材料层为聚酰亚胺涂层。

优选的，所述第一支杆与第二支杆在第一主杆和第二主杆之间呈交替分布。

优选的，所述第一叉指体的任一点距第二叉指体最近点之间均设置间隙。

优选的，相邻第一支杆与第二支杆的距离不大于它们之间设置的第一电极与第二电极长度之和的3/5。

优选的，所述第一主杆与第二主杆的距离不大于第一支杆与第二支杆长度之和的3/5。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明可做到较小的l/w，从而避免金属叉指结构的crack现象。减少叉指电容的自身断裂，提高叉指电容式湿度传感器制备过程的稳定性；通过试验可以验证，采用新型结构后的叉指电容，在制备过程中基本已经不再存在金属线条的crack现象。

2、本发明明显提升了叉指电容都的机械强度。器件抵抗外部环境波动和振动的能力提高，在特殊工艺步骤（如金属剥离、超声处理等）中的可靠性得到大幅提高；重复性实验证明，采用新的交替性折叠结构的叉指电容在超声工艺中的成品率提高了70%。

3、本发明后续使用过程中抗干扰能力提高，对外界环境干扰和影响的敏感性下降，延长了传感器有效使用的寿命。

4、本发明叉指结构的制备工艺无重大变化，仅是版图结构的改变，与其他工艺步骤兼容性好，方案实施起来简单易行。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的第一电极的示意图；

图3为本发明的第二电极的示意图；

图4为传统叉指电容式湿度传感器的结构示意图。

图中：1第一主杆、2第一支杆、3第一电极、4第二主杆、5第二支杆、6第二电极、7湿度敏感材料层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，一种交替叉指式湿度传感器，包括第一叉指体和第二叉指体，所述第一叉指体和第二叉指体结构相同，且均为一体结构，所述第一叉指体的任一点距第二叉指体最近点之间均设置间隙；所述第一叉指体包括第一主杆1、第一支杆2和第一电极3，所述第一主杆1一侧均匀设置所述第一支杆2，所述第一支杆2两侧均匀对称设置第一电极3，所述第二叉指体包括第二主杆4、第二支杆5和第二电极6，所述第一主杆1与第二主杆4的距离不大于第一支杆2与第二支杆5长度之和的3/5，相邻第一支杆2与第二支杆5的距离不大于它们之间设置的第一电极3与第二电极6长度之和的3/5；所述第一支杆2与第二支杆5在第一主杆1和第二主杆4之间呈交替分布；所述第一电极3的长宽之比和第二电极6的长宽之比即l/w相同，且100≤l/w≤200；所述第二主杆4相对第一主杆1一侧均匀设置所述第二支杆5，所述第二支杆5两侧均匀对称设置第二电极6，所述第一电极3与所述第二电极6交替设置，所述第一主杆1和第二主杆4相互平行，且所述第一支杆2、第一电极3、第二支杆5和第二电极6均位于第一主杆1和第二主杆4之间；所述第一支杆2与第一支杆2、第二支杆5与第二支杆5、第一支杆2与第二支杆5的关系均为相互平行；所述第一电极3与第一电极3、第二电极6与第二电极6、第一电极3与第二电极6的关系均为相互平行；所述第一电极3和所述第二电极6外侧面均设置湿度敏感材料层7，所述湿度敏感材料层7为聚酰亚胺涂层。

由于叉指结构的机械强度要求尽量降低l/w，而湿度传感器本身要求l指标越大越好，为了在保证尽量大的电容值的基础上，提升湿度传感器的机械强度，本方案巧妙地采用了一个交替折叠式叉指结构来设计叉指电容的布局；为便于理解和分辨，采用两种金属第一叉指体和第二叉指体交替性的结构来构造叉指电容，本方案中，由第一支杆2、第二支杆5、第一电极3和第二电极6组成的叉指结构可以不断延续，因此每一部分的l/w值都较小，最后形成的整体却有着较大的l值从而有符合要求的电容值；其中，l/w=300um/2um=150，远远小于传统结构中的长宽比l/w的数值1000，从而在其他方面如量程、灵敏度、迟滞性等方面满足要求的同时，在可靠性方面也有着显著的提升；较小的l/w使金属叉指结构的机械强度更高，在制备过程中不易损坏、折断，避免了金属线条的crack现象，与金属剥离、超声等工艺更加兼容，提高了叉指电容式湿度传感器的制备成品率，也为后续使用的可靠性打下了基础。

本发明的交替折叠式叉指结构在版图设计时采取较小的长度，减小l/w，从而提高器件的可靠性；为同时兼顾传感器灵敏度的要求，采用聚酰亚胺作为第一电极3和第二电极6上的湿度敏感材料；聚酰亚胺是一种环链聚合物，由于其加工形态多样、化学稳定性强，易于改性、合成多样性等诸多优点。

综上所述：该交替叉指式湿度传感器，通过设置第一主杆1、第一支杆2、第一电极3、第二主杆4、第二支杆5、第二电极6和湿度敏感材料层7的配合使用，在保证电容值的同时，大幅减小了叉指电容结构的长宽比；本发明提升叉指电容式湿度传感器的可靠性，提升器件在制备过程中的成品率和使用过程中的有效寿命，提出了新型的交替折叠式叉指结构，在保证电容值的同时，大幅减小了叉指电容结构的l/w，从而实现了灵敏度与可靠性的良好折衷；本发明也为叉指电容结构在其他器件中的使用提供了设计思路和参考蓝本，为其他以电容为主导结构的器件的稳定性和可靠性提供了较为简单且合理的解决方案。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。