一种电容式湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种电容式湿度传感器，包括硅晶圆和湿敏膜；所述硅晶圆包括硅基底、形成在硅基底上的钝化层以及形成在钝化层上的金属电极；所述湿敏膜形成在所述金属电极表面；所述湿敏膜为含氟聚酰亚胺薄膜，所述含氟聚酰亚胺薄膜由含氟聚酰胺酸亚胺化而成，所述含氟聚酰胺酸的重均分子量Mw为50000以上。本发明专利技术还公开了一种电容式湿度传感器的制备方法。本申请采用高分子量的含氟聚酰亚胺薄膜作为湿敏膜，由于氟原子具有将强的疏水性和低摩尔极化率，能有效降低湿敏膜的吸湿率和介电常数，改善产品的加工性能，从而达到减小湿度传感器的湿滞、降低湿度偏差的目的，提高湿度传感器的稳定性和测量精准。稳定性和测量精准。稳定性和测量精准。

【技术实现步骤摘要】
一种电容式湿度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种电容式湿度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]湿度传感器广泛应用于工艺控制、农业、医疗、气象等领域，常见的MEMS湿度传感器大致可以分为电容式、电阻式、悬臂梁式、晶振式以及热电偶式，其中基于MEMS(微电子机械系统)技术制造的电容式传感器具有价格低、体积小、测试范围宽、线性度好、灵敏度高、湿滞小、响应速度快、稳定性好的优点深受使用者的喜爱。
[0003]电容式传感器通常包括上电极、下电极以及中层的感湿材料层，其中感湿材料层是电容式传感器的核心，与无机感湿材料相比，高分子感湿材料具有易制备、加工、改性、材料来源丰富等优点。常见的高分子感湿材料有聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚乙炔苯、聚砜、醋酸纤维素、硅树脂等材料，这类型的高分子材料的感湿机理是：具有感湿特性的高分子材料介电常数ε＝2～7，而水分子的介电常数ε≈80，当环境湿度变化时，高分子感湿材料吸附或释放相应比例的水分子，感湿膜的偶极矩发生改变，宏观上表现为介电常数的变化，将具有这类特性的高分子感湿材料制成电容传感器后，通过测定湿度传感器的电容响应，就可以得到环境的相对湿度。
[0004]聚酰亚胺(Polyimide，也简写为PI)是一类主链上含有酰亚胺环结构的高分子聚合物，而聚酰亚胺薄膜是聚酰亚胺产品中问世最早也是应用最广泛的，它是目前市场上耐热性能最好的有机薄膜，长期使用温度高达300℃以上，具有优异的耐高低温特性、抗热氧老化性、力学性能、摩擦性能、电性能、耐化学腐蚀性和抗辐射性等。聚酰亚胺材料是有机聚合物中具有感湿性能的最耐高温的材料之一，由于它具有良好的感湿性能，并且与成熟的CMOS工艺兼容，利用集成电路的成熟工艺可以实现大批量生产，提高产品的一致性，大幅度降低生产的成本。
[0005]目前，聚酰亚胺感湿薄膜的制备大部分采用溶液缩聚的方法，典型的聚酰亚胺薄膜采用两步法，先由二胺与二酐在溶剂中以缩合聚合方法合成聚酰胺酸溶液，再通过热或化学亚胺化的方法脱水亚胺化制得聚酰亚胺薄膜。干法成膜方式
‑
气相沉积聚合(VDP)第一次应用在聚酰亚胺薄膜的制备时在1985年和1986年分别由Salem和lijim等人提出，这种方法与传统溶液聚合方法相比具有薄膜厚度均一，成膜过程中避免了溶剂与基底层间的有害作用，获得的薄膜更加致密均匀、表面更加平滑、耐水解性能好，可在不同形状的底层上成型等优点。
[0006]采用溶液缩聚的方法聚酰亚胺感湿薄膜只适用于平面表面成膜，无法在不同形状的表面上成膜，此外该方法还存在产生大量废弃溶剂，溶剂残留薄膜中难以去除，薄膜厚度不均匀，与基板粘结性差的问题。而采用气相沉积聚合的方法由于二酐和二胺升华和沉积速率的不同，存在官能团化学计量偏差的问题，只能得到低分子量的薄膜，利用气相沉积制备的低分子量聚酰亚胺湿度传感器无法满足耐高温回流焊(≥260℃)、双85(85℃、85％RH)的要求，也无法满足传感器长期稳定性的要求。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种电容式湿度传感器，采用高分子量的含氟聚酰亚胺薄膜作为湿敏膜，利用氟原子较强的疏水性、低摩尔极化率，改善湿度传感器的吸湿率、介电常数等性能。
[0008]为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一种电容式湿度传感器，包括
[0010]硅晶圆和湿敏膜；所述硅晶圆包括硅基底、形成在硅基底上的钝化层以及形成在钝化层上的金属电极；所述湿敏膜形成在所述金属电极表面；
[0011]所述湿敏膜为含氟聚酰亚胺薄膜，所述含氟聚酰亚胺薄膜由含氟聚酰胺酸亚胺化而成，所述含氟聚酰胺酸的重均分子量Mw为50000以上。
[0012]本申请的另一个目的是为了外界液体、潮气、化学物品等侵蚀作对湿敏膜性能的影响，还包括形成在所述湿敏膜表面的保护膜。
[0013]作为进一步的方案，本申请所述的保护膜通过化学气相共沉积形成在湿敏膜上表面。
[0014]作为进一步的方案，本申请所述的含氟聚酰亚胺薄膜是采用含氟官能团的二酐或二胺通过化学气相共沉积形成。
[0015]作为进一步的方案，本申请所述的含氟聚酰亚胺薄膜的厚度为0.1
‑
1μm。
[0016]作为进一步的方案，本申请所述的金属电极的材料为金、铂、钽、铝、钛中的一种或两种。
[0017]本申请还提供一种电容式湿度传感器的制备方法，其目的在于采用含氟官能团的单体在聚酰亚胺薄膜材料上引入氟，制备出高分子量聚酰亚胺薄膜，用以降低聚酰亚胺薄膜的吸湿率和介电常数，改善湿度感应器的性能。
[0018]电容式湿度传感器的制备方法包括：
[0019]以二酐和二胺为单体，至少一种单体具有含氟官能团，在设置有金属电极的硅晶圆的金属电极表面形成含氟聚酰胺酸薄膜，将聚酰胺酸薄膜亚胺化获得含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆；
[0020]在含有保护膜的含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆表面涂覆光刻胶，在紫外光下进行刻蚀，获得图案化的含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆；
[0021]图案化的含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆经过处理后获得电容式湿度传感器。
[0022]作为进一步的方案，本申请所述的制备方法还包括在含氟聚酰亚胺薄膜表面形成保护膜；所述刻蚀过程在形成保护膜之后进行。
[0023]作为进一步的方案，本申请的制备方法中，获得所述含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆的过程具体是通过以下工艺实现：
[0024]步骤一：将二胺单体放入二胺蒸发室，二元酐单体放入二酐蒸发室，至少一种单体具有含氟官能团，抽真空使沉积室真空度为1
×
10
‑4‑5×
10
‑4Pa，升温使基底材料温度保持在30
‑
40℃；
[0025]步骤二：加热二胺蒸发室使二胺单体升华，加热二酐蒸发室使二酐单体升华，然后通入惰性气体将两种单体送至预先放置的带有金属电极的硅晶圆的沉积室，控制单体沉积的速率，使二酐单体和二胺单体的沉积速率稳定在1:1，打开放置在硅晶圆上的挡板，开始
在金属电极表面沉积，待沉积完后用惰性气体继续吹扫，在带有金属电极的硅晶圆上形成的聚酰胺酸前体；
[0026]步骤三：对上述聚酰胺酸前体进行亚胺化处理，在硅晶圆上形成含氟聚酰亚胺薄膜，获得含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆。
[0027]作为进一步的方案，本申请的制备方法中，所述步骤二的升温速率控制为0.25
‑
1.00℃/min，单体的沉积速率控制为80
‑
100nm/min。
[0028]作为进一步的方案，本申请的制备方法中，所述亚胺化处理过采用分段加热处理，具体处理方式为：将聚酰胺酸前体转入充有氮气的加热炉中，分别100℃，200℃，350℃下各处理1
‑
2h，自然冷却后获得完全亚胺化的含氟聚酰亚胺薄膜。
[0029]作为进一步的方案，本申请的制备方法中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容式湿度传感器，包括硅晶圆和湿敏膜；所述硅晶圆包括硅基底、形成在硅基底上的钝化层以及形成在钝化层上的金属电极；所述湿敏膜形成在所述金属电极表面；其特征在于，所述湿敏膜为含氟聚酰亚胺薄膜，所述含氟聚酰亚胺薄膜由含氟聚酰胺酸亚胺化而成，所述含氟聚酰胺酸的重均分子量Mw为50000以上。2.根据权利要求1所述的电容式湿度传感器，其特征在于，还包括形成在所述湿敏膜表面的保护膜。3.根据权利要求2所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述保护膜通过化学气相共沉积形成在湿敏膜上表面。4.根据权利要求1或2所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述含氟聚酰亚胺薄膜是采用含氟官能团的二酐或二胺通过化学气相共沉积形成。5.根据权利要求1或2所述的电容式湿度传感器，其特征在于，所述含氟聚酰亚胺薄膜的厚度为0.1
‑
1μm。6.一种电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以二酐和二胺为单体，至少一种单体具有含氟官能团，在设置有金属电极的硅晶圆的金属电极表面形成含氟聚酰胺酸薄膜，将聚酰胺酸薄膜亚胺化获得含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆；在含有保护膜的含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆表面涂覆光刻胶，在紫外光下进行刻蚀，获得图案化的含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆；图案化的含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆经过处理后获得电容式湿度传感器。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，获得所述含氟聚酰亚胺薄膜硅晶圆的过程具体是通过以下工艺实现：步骤一：将二胺单体放入二胺蒸发室，二元酐单体放入二酐蒸发室，至少一种单体具有含氟官能团，抽真空使沉积室真空度为1
×
10
‑4‑5×
10
‑4Pa，升温使基底材料温度保持在30
‑
40℃；步骤二：加热二胺蒸发室使二胺单体升华，加热二酐蒸发室使二酐单体升华，然后通入惰性气体将两种单体送至预先放置的带有金属电极的硅晶圆的沉积室，控制单体沉积的速率，使二酐单体和二胺单体的沉积速率稳定在1:1，打开放置在硅晶圆上的挡板，开始在金属电极表面沉积，待沉积完后用惰性气体继续吹扫，在带有金属电极的硅晶圆上形成的聚酰胺酸前体；步骤三：对上述聚酰胺酸前体进行亚胺化处理，在硅晶圆上形成含氟聚酰亚胺薄膜，获得含...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宾，李婷，陈新准，赵罗恒，谢傲臻，朱瑞，邱国财，陈善任，傅凯强，
申请(专利权)人：广州奥松电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：