CN1043987A - 一种温湿双功能敏感薄膜元件及其制造方法 - Google Patents

一种温湿双功能敏感薄膜元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种由聚酰亚胺薄膜电容式湿敏元件和铝、钛双金属薄膜电阻式温敏元件结合组成的温、湿双功能敏感薄膜元件。这是在衬底硅片表面上先生长一层二氧化硅，然后用薄膜工艺，在二氧化硅绝缘层上先后淀积钛、铝、聚酰亚胺、金等各种薄膜，并用掩模板使薄膜形成微细图案。该敏感元件能同时检测环境中同一点的温度和湿度，并具有测量范围宽，线性度好，不需加热清洗、响应快、体积小等特点。在工农业生产、贮存、管理以及日常生活中有广泛应用前景。

Description

本发明涉及一种由铝、钛薄膜电阻式温敏元件和聚酰亚胺薄膜电容式湿敏元件结合而成的温、湿双功能敏感薄膜元件及其制造方法，属于电子测量技术领域。
对温度和湿度的检测，现有技术中有采用温、湿双功能薄膜传感器的。美国专利US    4603372描述了一种温度或湿度薄膜传感器及其制造方法。该传感器是在同一块印刷线路板衬底上制作了一个铜薄膜电阻式温敏元件和一个聚合物薄膜电容式湿敏元件，前者的弯曲条状电阻带还兼作后者的一个极板。该传感器的缺点是不能同时对温度和湿度进行检测，只能在同一时间内要么作为温敏元件，要么作为湿敏元件使用;尺寸较大，难以伸入小的空间检测温度或湿度;制造工艺与集成电路工艺完全不相容，不利于批量生产和无法继续开发成带有集成电路的温、湿双功能薄膜传感器。中国专利CN    88102279.9描述了一种薄膜电阻温度传感器及其制造方法。该传感器以弯曲条状钛、铝薄膜电阻带作温敏元件，用集成电路工艺制成，但不能检测湿度。
本发明的目的在于提供一种新型的温、湿双功能敏感薄膜元件及其制造方法。该敏感元件是在中国专利CN    88102279.9所述的专利技术基础上，把钛、铝薄膜电阻温度传感器和聚酰亚胺薄膜式湿敏元件集成在一起构成的，体积小巧，可同时检测环境中同一点的温度和湿度。
附图说明：
图1.温、湿双功能敏感薄膜元件芯片的结构和局部介剖图，其中1硅基片，2二氧化硅绝缘层，3钛膜，4铝膜，5聚酰亚胺膜，6金膜，7引线，8下电极Ⅰ，9下电极Ⅱ，10上电极，11衬底。
图2.温、湿双功能敏感薄膜元件的电容-相对湿度（C-%RH）湿敏特性。
图3.温、湿双功能敏感薄膜元件的电阻-温度（R-T）温敏特性。
图4    温、湿双功能敏感薄膜元件的感湿响应特性。
图5，温、湿双功能敏感薄膜元件的感温响应特性。
图6，温、湿双功能敏感薄膜元件的感湿温度特性。
本发明的敏感元件芯片的结构是在二氧化硅绝缘层2上淀积湿敏电容的两个铝、钛双层薄膜下电极，一个是弯曲条状的下电极Ⅱ9，它同时为温敏元件的电阻带;另一个是叉指状的下电极Ⅰ8。在聚酰亚胺膜5上淀积有一层很薄的金膜6，蚀刻后作为上电极10。上电极10分别与下电极Ⅰ8、下电极Ⅱ9各形成一个电容器，两个电容通过上电极10串联起来。测湿范围为0-100%RH，测温范围是负50-正150℃，线性度好、响应快，而且不必加热清洗。
本发明的实现方法是：在高温氧化炉中，用热氧化法在抛光硅基片1的至少一边的表面生长厚度为6000-10000埃的二氧化硅绝缘层2作为衬底11，在10-5-10-6乇的真空室中，在二氧化硅绝缘层2上用纯度都高于99.97%的钛和铝金属材料用电阻加热蒸发，电子束蒸发、或溅射法先淀积一层钛膜3，随后在所淀积的钛膜3上再淀积一层铝膜4。淀积钛、铝薄膜时硅基片1加热到100-350℃，淀积速度控制在每秒3-25埃之间。钛膜3的厚度为500-700埃，铝膜4的厚度为4000-7000埃。随后涂光刻胶，用金属图案掩膜版进行曝光，用湿法（或干法）腐蚀掉多余的光刻胶，形成掩膜版的弯曲条状电阻带下电极Ⅱ9和叉指状下电极Ⅰ8的微细图案。在光刻胶的保护下，用磷酸溶液蚀刻铝膜4至钛膜5显露出来为止，再用稀的氢氟酸蚀刻钛膜5直至形成一个弯曲条状电阻带，作为下电极Ⅱ9和另一个叉指状电极，作为下电极Ⅰ8，它们的宽度为4-6μm，电阻带的长宽比为（1.2-1.9）×104。宽度蚀刻误差不超过±1μm。在下电极Ⅱ9的两端各有一个外接引线的键合脚，在下电极Ⅰ8中部边缘也有一个键合脚。铝、钛双层金属薄膜的电阻值为600-1300Ω，电阻正温度系数约+4200×10-6/℃，在负50-正150℃的测温范围内最大非线性度小于0.5%。接着涂聚酰亚胺胶，用甩胶法使聚酰亚胺胶分布均匀，厚度控制在3000-6000埃。随后涂光刻胶，用聚酰亚胺图案掩膜版对在二氧化硅绝缘层2上已有的金属微细图案进行套准和曝光。用湿法（或干法）光刻或等离子刻蚀技术蚀刻掉多余的光刻胶，形成掩膜版的矩形图案，其尺寸为1.4×1.3mm。在光刻胶保护下，用干法蚀刻掉多余的聚酰亚胺，留下矩形的聚酰亚胺膜5遮盖住下电极Ⅱ9和下电极Ⅰ8，空出三个键合脚。随后在纯度为99.99%的氮气的高温炉内烧结固化，温度为250-300℃，时间为1小时。接着在10-5-10-6乇的真空室中，在固化的聚酰亚胺膜5上用电阻加热蒸发法，电子束蒸发法，或溅射法淀积一层纯度高于99.97%的金膜6。淀积金膜6时硅基片1温度为100-200℃，淀积速率控制在每秒3-25埃之间。金膜6的厚度为250-500埃。随后再涂光刻胶，用金膜掩膜版对已成形的聚酰亚胺膜5进行套准和曝光，用湿法（或干法）腐蚀掉多余的光刻胶，形成边缘略小于聚酰亚胺膜5边缘的矩形金膜，其尺寸略小于1.4×1.3mm，作为上电极10。接着去掉光刻胶，划片成为所需的温、湿双功能敏感元件的芯片。用导电胶把芯片粘接于金属管座，再在约200℃的温度中烧结牢固。用硅铝丝7键合芯片的键压脚和管座的外引线，使其电气连接。检测合格的敏感元件，用有透气孔的管帽封焊，最后进行老化处理。
本发明与现有技术相比，具有下列特点：
1.测湿、测温范围宽、性能好。
测湿范围    0-100%RH
测温范围    负50-正150℃
测湿精度    ±3%RH（25℃）
测温精度    ±0.5℃
感湿灵敏度    0.1PF/%RH
感湿温度系数    负0.16%RH/℃（5-50℃）
感湿响应时间    ＜16秒（90%量程）
感温响应时间    ＜16秒（63%量程）
2.结构紧凑、体积小、加工简易。
采用集成方式将湿敏元件与温敏元件结合在一起。芯片体积为1.6×1.6×0.4mm。只需薄膜工艺，不必对硅基片进行微细加工;易于引出外引线，工艺简便。
3.性能稳定、可靠。
聚酰亚胺薄膜湿敏元件的特点是不怕空气中的污染，不必加热清洗。同时聚酰亚胺膜对铝、钛薄膜温敏元件起了钝化保护作用，防止了电解腐蚀。该温、湿双功能敏感薄膜元件已经5个月以上的存贮可靠性试验，性能稳定、可靠。
本发明温、湿双功能敏感薄膜元件能同时检测环境中同一点的温度和湿度，并具有测量范围宽，线性度好，不需加热清洗、响应快、体积小等特点。其制造工艺与集成电路完全相容，不仅有助于进行大规模生产和降低生产成本，而且还有助于进一步开发成带集成电路的温、湿双功能敏感薄膜元件。所以本发明温、湿双功能敏感薄膜元件是一种在工农业生产、贮存、管理以及日常生活中均有广泛应用前景的温、湿敏感元件。

Claims (13)

1、一种温、湿双功能敏感薄膜元件，其特征是，所用芯片的结构为，以至少一边生长有二氧化硅绝缘层2的硅基片1作为衬底11，在衬底11的二氧化硅绝缘层2上淀积一层钛膜3，在钛膜3上淀积一层铝膜4，淀积的钛、铝双层薄膜同时蚀刻成一个兼作下电极Ⅱ9的弯曲条状图案的电阻带和另一个作为下电极I8的叉指状图案的电极，在淀积有下电极I8和下电极Ⅱ9的二氧化硅绝缘层2上涂上一层聚酰亚胺膜5，蚀刻成遮盖住下电极I8、下电极Ⅱ9和空出三个键压脚的矩形状，再在聚酰亚胺膜5上淀积金膜6，蚀刻成边缘略小于聚亚胺膜5的矩形，作为上电极10；上电极10分别与下电极I8、下电极Ⅱ9各形成一个以聚酰亚胺膜5为介质的电容，两个电容通过上电极10串联起来，构成电容式湿敏元件，引出线分别从下电极I8和下电极Ⅱ9引出；弯曲条状图案的电阻带下电极Ⅱ9构成电阻式温敏元件，引出线分别从下电极Ⅱ9的两端引出；上电极10上无引出线。
2、按权利要求1所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件，其特征在于湿敏元件由双电容串联而成，电容值在60-100PF之间，感湿灵敏度约0.1PF/%RH。
3、按权利要求1所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，包括：
（1）在高温氧化炉中，使抛光硅基片1的至少一边的表面生长一层二氧化硅绝缘层2，作为温、湿双功能敏感薄膜元件的衬底11。
（2）在真空室中，在硅基片1的具有二氧化硅绝缘层2的一边真空淀积一层钛膜3，随后在所淀积的钛膜3上淀积一层铝膜4。
（3）将淀积成的钛、铝双层薄膜蚀刻成一个弯曲条状的下电极Ⅱ9和一个叉指状的下电极Ⅰ8。一个弯曲条状的下电极Ⅱ9又是温敏元件的电阻带。
（4）在已具有下电极Ⅰ8和下电极Ⅱ9的二氧化硅绝缘层2上涂上一层聚酰亚胺膜5。
（5）将聚酰亚胺膜5蚀刻成矩形状，遮盖住下电极Ⅰ8和下电极Ⅱ9，空出三个键压脚。
（6）在高温炉中，使硅基片1上的聚酰亚胺膜5烧结固化。
（7）在真空室中，在硅基片1具有聚酰亚胺膜5的一边，真空淀积一层金膜6。
（8）将金膜6蚀刻成其边缘略小于聚酰亚胺膜5边缘的矩形，作为上电极10。制成了所需的芯片。
（9）将芯片粘接在金属管座上，连接键压脚与外引线7，使其电气连接。
（10）用有透气孔的金属管帽进行封装。
（11）测试。
（12）老化处理。
4、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，硅基片1的至少一边生长有二氧化硅绝缘层2，其厚度为6000-10000埃。
5、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，形成聚酰亚胺膜5的技术是甩胶法。
6、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造 方法，其特征在于，聚酰亚胺膜5的厚度为3000-6000埃。
7、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亚胺膜5用光刻，等离子刻蚀技术形成尺寸为1.4×1.3mm的矩形。
8、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亚胺膜5在纯度为99.99%的氮气高温炉中烧结固化，烧结的温度为250-300℃，时间1小时。
9、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，形成金膜6的真空淀积技术是电阻加热蒸发，电子束蒸发和溅射法中的一种方法。
10、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，淀积金膜6用的金的纯度高于99.97%。
11、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，真空淀积金膜6的真空度为10-5-10-6乇，硅基片1的加热温度为100-200℃。
12、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，所淀积的金膜6厚度为250-500埃。
13、按权利要求4所述的一种温、湿双功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，金膜6用光刻、腐蚀技术形成尺寸略小于1.4×1.3mm的矩形。
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