專利名稱：一種溫濕雙功能敏感薄膜元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種由鋁、鈦薄膜電阻式溫敏元件和聚酰亞胺薄膜電容式濕敏元件結合而成的溫、濕雙功能敏感薄膜元件及其制造方法，屬于電子測量技術領域。
對溫度和濕度的檢測，現(xiàn)有技術中有采用溫、濕雙功能薄膜傳感器的。美國專利US4603372描述了一種溫度或濕度薄膜傳感器及其制造方法。該傳感器是在同一塊印刷線路板襯底上制作了一個銅薄膜電阻式溫敏元件和一個聚合物薄膜電容式濕敏元件，前者的彎曲條狀電阻帶還兼作后者的一個極板。該傳感器的缺點是不能同時對溫度和濕度進行檢測，只能在同一時間內(nèi)要么作為溫敏元件，要么作為濕敏元件使用;尺寸較大，難以伸入小的空間檢測溫度或濕度;制造工藝與集成電路工藝完全不相容，不利于批量生產(chǎn)和無法繼續(xù)開發(fā)成帶有集成電路的溫、濕雙功能薄膜傳感器。中國專利CN88102279.9描述了一種薄膜電阻溫度傳感器及其制造方法。該傳感器以彎曲條狀鈦、鋁薄膜電阻帶作溫敏元件，用集成電路工藝制成，但不能檢測濕度。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的溫、濕雙功能敏感薄膜元件及其制造方法。該敏感元件是在中國專利CN88102279.9所述的專利技術基礎上，把鈦、鋁薄膜電阻溫度傳感器和聚酰亞胺薄膜式濕敏元件集成在一起構成的，體積小巧，可同時檢測環(huán)境中同一點的溫度和濕度。


圖1.溫、濕雙功能敏感薄膜元件芯片的結構和局部介剖圖，其中1硅基片，2二氧化硅絕緣層，3鈦膜，4鋁膜，5聚酰亞胺膜，6金膜，7引線，8下電極Ⅰ，9下電極Ⅱ，10上電極，11襯底。
圖2.溫、濕雙功能敏感薄膜元件的電容-相對濕度(C-%RH)濕敏特性。
圖3.溫、濕雙功能敏感薄膜元件的電阻-溫度(R-T)溫敏特性。
圖4溫、濕雙功能敏感薄膜元件的感濕響應特性。
圖5，溫、濕雙功能敏感薄膜元件的感溫響應特性。
圖6，溫、濕雙功能敏感薄膜元件的感濕溫度特性。
本發(fā)明的敏感元件芯片的結構是在二氧化硅絕緣層2上淀積濕敏電容的兩個鋁、鈦雙層薄膜下電極，一個是彎曲條狀的下電極Ⅱ9，它同時為溫敏元件的電阻帶;另一個是叉指狀的下電極Ⅰ8。在聚酰亞胺膜5上淀積有一層很薄的金膜6，蝕刻后作為上電極10。上電極10分別與下電極Ⅰ8、下電極Ⅱ9各形成一個電容器，兩個電容通過上電極10串聯(lián)起來。測濕范圍為0-100%RH，測溫范圍是負50-正150℃，線性度好、響應快，而且不必加熱清洗。
本發(fā)明的實現(xiàn)方法是在高溫氧化爐中，用熱氧化法在拋光硅基片1的至少一邊的表面生長厚度為6000-10000埃的二氧化硅絕緣層2作為襯底11，在10-5-10-6乇的真空室中，在二氧化硅絕緣層2上用純度都高于99.97%的鈦和鋁金屬材料用電阻加熱蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)、或濺射法先淀積一層鈦膜3，隨后在所淀積的鈦膜3上再淀積一層鋁膜4。淀積鈦、鋁薄膜時硅基片1加熱到100-350℃，淀積速度控制在每秒3-25埃之間。鈦膜3的厚度為500-700埃，鋁膜4的厚度為4000-7000埃。隨后涂光刻膠，用金屬圖案掩膜版進行曝光，用濕法(或干法)腐蝕掉多余的光刻膠，形成掩膜版的彎曲條狀電阻帶下電極Ⅱ9和叉指狀下電極Ⅰ8的微細圖案。在光刻膠的保護下，用磷酸溶液蝕刻鋁膜4至鈦膜5顯露出來為止，再用稀的氫氟酸蝕刻鈦膜5直至形成一個彎曲條狀電阻帶，作為下電極Ⅱ9和另一個叉指狀電極，作為下電極Ⅰ8，它們的寬度為4-6μm，電阻帶的長寬比為(1.2-1.9)×104。寬度蝕刻誤差不超過±1μm。在下電極Ⅱ9的兩端各有一個外接引線的鍵合腳，在下電極Ⅰ8中部邊緣也有一個鍵合腳。鋁、鈦雙層金屬薄膜的電阻值為600-1300Ω，電阻正溫度系數(shù)約+4200×10-6/℃，在負50-正150℃的測溫范圍內(nèi)最大非線性度小于0.5%。接著涂聚酰亞胺膠，用甩膠法使聚酰亞胺膠分布均勻，厚度控制在3000-6000埃。隨后涂光刻膠，用聚酰亞胺圖案掩膜版對在二氧化硅絕緣層2上已有的金屬微細圖案進行套準和曝光。用濕法(或干法)光刻或等離子刻蝕技術蝕刻掉多余的光刻膠，形成掩膜版的矩形圖案，其尺寸為1.4×1.3mm。在光刻膠保護下，用干法蝕刻掉多余的聚酰亞胺，留下矩形的聚酰亞胺膜5遮蓋住下電極Ⅱ9和下電極Ⅰ8，空出三個鍵合腳。隨后在純度為99.99%的氮氣的高溫爐內(nèi)燒結固化，溫度為250-300℃，時間為1小時。接著在10-5-10-6乇的真空室中，在固化的聚酰亞胺膜5上用電阻加熱蒸發(fā)法，電子束蒸發(fā)法，或濺射法淀積一層純度高于99.97%的金膜6。淀積金膜6時硅基片1溫度為100-200℃，淀積速率控制在每秒3-25埃之間。金膜6的厚度為250-500埃。隨后再涂光刻膠，用金膜掩膜版對已成形的聚酰亞胺膜5進行套準和曝光，用濕法(或干法)腐蝕掉多余的光刻膠，形成邊緣略小于聚酰亞胺膜5邊緣的矩形金膜，其尺寸略小于1.4×1.3mm，作為上電極10。接著去掉光刻膠，劃片成為所需的溫、濕雙功能敏感元件的芯片。用導電膠把芯片粘接于金屬管座，再在約200℃的溫度中燒結牢固。用硅鋁絲7鍵合芯片的鍵壓腳和管座的外引線，使其電氣連接。檢測合格的敏感元件，用有透氣孔的管帽封焊，最后進行老化處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有下列特點1.測濕、測溫范圍寬、性能好。
測濕范圍0-100%RH測溫范圍負50-正150℃測濕精度±3%RH(25℃)測溫精度±0.5℃感濕靈敏度0.1PF/%RH感濕溫度系數(shù)負0.16%RH/℃(5-50℃)感濕響應時間＜16秒(90%量程)感溫響應時間＜16秒(63%量程)2.結構緊湊、體積小、加工簡易。
采用集成方式將濕敏元件與溫敏元件結合在一起。芯片體積為1.6×1.6×0.4mm。只需薄膜工藝，不必對硅基片進行微細加工;易于引出外引線，工藝簡便。
3.性能穩(wěn)定、可靠。
聚酰亞胺薄膜濕敏元件的特點是不怕空氣中的污染，不必加熱清洗。同時聚酰亞胺膜對鋁、鈦薄膜溫敏元件起了鈍化保護作用，防止了電解腐蝕。該溫、濕雙功能敏感薄膜元件已經(jīng)5個月以上的存貯可靠性試驗，性能穩(wěn)定、可靠。
本發(fā)明溫、濕雙功能敏感薄膜元件能同時檢測環(huán)境中同一點的溫度和濕度，并具有測量范圍寬，線性度好，不需加熱清洗、響應快、體積小等特點。其制造工藝與集成電路完全相容，不僅有助于進行大規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，而且還有助于進一步開發(fā)成帶集成電路的溫、濕雙功能敏感薄膜元件。所以本發(fā)明溫、濕雙功能敏感薄膜元件是一種在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、貯存、管理以及日常生活中均有廣泛應用前景的溫、濕敏感元件。
權利要求
1.一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件，其特征是，所用芯片的結構為，以至少一邊生長有二氧化硅絕緣層2的硅基片1作為襯底11，在襯底11的二氧化硅絕緣層2上淀積一層鈦膜3，在鈦膜3上淀積一層鋁膜4，淀積的鈦、鋁雙層薄膜同時蝕刻成一個兼作下電極Ⅱ9的彎曲條狀圖案的電阻帶和另一個作為下電極I8的叉指狀圖案的電極，在淀積有下電極I8和下電極Ⅱ9的二氧化硅絕緣層2上涂上一層聚酰亞胺膜5，蝕刻成遮蓋住下電極I8、下電極Ⅱ9和空出三個鍵壓腳的矩形狀，再在聚酰亞胺膜5上淀積金膜6，蝕刻成邊緣略小于聚亞胺膜5的矩形，作為上電極10；上電極10分別與下電極I8、下電極Ⅱ9各形成一個以聚酰亞胺膜5為介質(zhì)的電容，兩個電容通過上電極10串聯(lián)起來，構成電容式濕敏元件，引出線分別從下電極I8和下電極Ⅱ9引出；彎曲條狀圖案的電阻帶下電極Ⅱ9構成電阻式溫敏元件，引出線分別從下電極Ⅱ9的兩端引出；上電極10上無引出線。
2.按權利要求1所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件，其特征在于濕敏元件由雙電容串聯(lián)而成，電容值在60-100PF之間，感濕靈敏度約0.1PF/%RH。
3.按權利要求1所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，包括(1)在高溫氧化爐中，使拋光硅基片1的至少一邊的表面生長一層二氧化硅絕緣層2，作為溫、濕雙功能敏感薄膜元件的襯底11。(2)在真空室中，在硅基片1的具有二氧化硅絕緣層2的一邊真空淀積一層鈦膜3，隨后在所淀積的鈦膜3上淀積一層鋁膜4。(3)將淀積成的鈦、鋁雙層薄膜蝕刻成一個彎曲條狀的下電極Ⅱ9和一個叉指狀的下電極Ⅰ8。一個彎曲條狀的下電極Ⅱ9又是溫敏元件的電阻帶。(4)在已具有下電極Ⅰ8和下電極Ⅱ9的二氧化硅絕緣層2上涂上一層聚酰亞胺膜5。(5)將聚酰亞胺膜5蝕刻成矩形狀，遮蓋住下電極Ⅰ8和下電極Ⅱ9，空出三個鍵壓腳。(6)在高溫爐中，使硅基片1上的聚酰亞胺膜5燒結固化。(7)在真空室中，在硅基片1具有聚酰亞胺膜5的一邊，真空淀積一層金膜6。(8)將金膜6蝕刻成其邊緣略小于聚酰亞胺膜5邊緣的矩形，作為上電極10。制成了所需的芯片。(9)將芯片粘接在金屬管座上，連接鍵壓腳與外引線7，使其電氣連接。(10)用有透氣孔的金屬管帽進行封裝。(11)測試。(12)老化處理。
4.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，硅基片1的至少一邊生長有二氧化硅絕緣層2，其厚度為6000-10000埃。
5.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，形成聚酰亞胺膜5的技術是甩膠法。
6.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亞胺膜5的厚度為3000-6000埃。
7.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亞胺膜5用光刻，等離子刻蝕技術形成尺寸為1.4×1.3mm的矩形。
8.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，聚酰亞胺膜5在純度為99.99%的氮氣高溫爐中燒結固化，燒結的溫度為250-300℃，時間1小時。
9.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，形成金膜6的真空淀積技術是電阻加熱蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)和濺射法中的一種方法。
10.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，淀積金膜6用的金的純度高于99.97%。
11.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，真空淀積金膜6的真空度為10-5-10-6乇，硅基片1的加熱溫度為100-200℃。
12.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，所淀積的金膜6厚度為250-500埃。
13.按權利要求4所述的一種溫、濕雙功能敏感薄膜元件的制造方法，其特征在于，金膜6用光刻、腐蝕技術形成尺寸略小于1.4×1.3mm的矩形。
全文摘要
一種由聚酰亞胺薄膜電容式濕敏元件和鋁、鈦雙金屬薄膜電阻式溫敏元件結合組成的溫、濕雙功能敏感薄膜元件。這是在襯底硅片表面上先生長一層二氧化硅，然后用薄膜工藝，在二氧化硅絕緣層上先后淀積鈦、鋁、聚酰亞胺、金等各種薄膜，并用掩模板使薄膜形成微細圖案。該敏感元件能同時檢測環(huán)境中同一點的溫度和濕度，并具有測量范圍寬，線性度好，不需加熱清洗、響應快、體積小等特點。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、貯存、管理以及日常生活中有廣泛應用前景。
文檔編號H01L49/00GK1043987SQ9010520
公開日1990年7月18日 申請日期1989年12月26日 優(yōu)先權日1989年12月26日
發(fā)明者茅有福, 許德霖 申請人:華東師范大學