[發明專利]一種聚酰亞胺膜微型快速響應濕度傳感元件及其制作方法

有效

• 申請號: 201010272929.1
• 申請日: 2010-09-03
• 公開（公告）號: CN101949878A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 王良璧;周文和;王良成;楊建紅;常青;令小波;胡萬林;任學昌
• 申請（專利權）人: 蘭州交通大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;B81C1/00
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心 62100
• 代理人: 鮮林

技術領域

本發明涉及濕度傳感元件的應用研究，特別是用于燃料電池車的一種聚酰亞胺膜微型快速響應濕度傳感元件，本發明還包括該元件的制作方法。

背景技術

在燃料電池汽車發動機中氣體濕度的測量非常重要，且要求較高，現有濕度傳感器變送原理基于物質親水機理，無法達到快速響應的要求，響應時間普遍較長，同時國內外相關領域對濕度傳感器動態響應時間的研究較少，可參考的快速響應濕度傳感器的資料也較少。國內文獻報道的濕度傳感器多采用金或鋁作為電極材料，對濕度傳感器的動態響應性能研究較少，濕度傳感器的響應時間最快報道約10s左右，最慢約幾分鐘到幾十分鐘。國外文獻報道的濕度傳感器多采用金作為電極材料，對濕度傳感器的動態響應性能研究不多，濕度傳感器的響應時間最快報道約500ms(BCB)，但無產品，最慢約幾十秒。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種快速響應的聚酰亞胺膜微型快速響應濕度傳感元件，本發明還提供該元件的制作方法。

本發明通過下述技術方案解決其技術問題：

一種聚酰亞胺膜微型快速響應濕度傳感元件，為高分子平行板電容式結構，上層金屬層為上電極，下層金屬層為下電極，上、下金屬層之間為感濕層，其特征在于所述上電極為柵狀布置，所述感濕層以聚酰亞胺為感濕膜。

所述上電極和下電極的電極線寬為1～12μm。

所述的一種聚酰亞胺膜微型快速響應濕度傳感元件的制作方法是采用微電子工藝，按下述工藝過程制備：

a、清洗并且氧化極片；

b、蒸鍍下電極：大面積依次濺射鉬和鋁(Mo-Al)或鉬和鉑(Mo-Pt)，其中Mo作為緩沖層，厚度為500～1500電極總厚度為9000～15000

c、涂聚酰亞胺：在高速涂膠臺涂布聚酰亞胺調節轉速以控制介質層厚度；

d、亞胺化：在恒溫箱分不同溫度區段進行亞胺化；

e、濺射上電極：大面積濺射上電極，選擇Mo-Al或Mo-Pt作為電極材料，其中Mo同樣作為緩沖層，其厚度為500～1500電極總厚度為9000～15000

f、一次光刻，刻蝕劃片道：電極部分采用化學濕法刻蝕，聚酰亞胺層采用等離子刻蝕；

g、二次光刻，刻蝕上電極圖形：采用濕法刻蝕獲得上電極圖形；

h、三次光刻，刻蝕下電極引線孔：采用等離子氣體刻蝕的方法打開下電極引線孔；

i、切片、壓焊、封裝：將整塊晶片沿劃片道分割成獨立的管芯，然后進行壓焊和封裝。

所述涂布聚酰亞胺的方法為：將聚酰亞胺酸溶液的濃度定為5～20％，用5～20％的聚酰亞胺酸溶液涂膜于上電極。

所述聚酰亞胺酸的合成工藝為：控制溫度在20～50℃，以N，N-二甲基乙酰胺為溶劑，4，4-二氨基對苯醚和均苯四甲酸二酐為單體，兩種單體的摩爾質量比為1∶0.8～1.3，控制聚酰亞胺酸溶液濃度在5～20％，在氮氣保護下反應5～10小時，再加入占總反應物量5％的3，5-二氨基苯甲酸，再反應2～4小時，得到聚酰亞胺酸溶液。

所述亞胺化是將涂好聚酰亞胺酸溶液的感濕元件放在恒溫箱中進行亞胺化，亞胺化的升溫步驟為：

a、由室溫升至100℃，并保持30min；

b、由100℃升至200℃，并保持30min；

c、由200℃升至300℃，并保持30min；

d、由300℃升至350℃，并保持60min。

本發明的高分子電容式濕敏元件的感濕機理是基于高分子濕敏介質吸附環境中氣態水分子時，濕敏介質的介電常數將隨之變化，濕敏元件電容與環境相對濕度關系可由下式表示：

Cx＝ε₀ε_uS/d

(1)

式中：C_Pu為濕敏元件在不同相對濕度下的電容量，pF；ε₀為真空介電常數；S為濕敏元件有效電極面積，mm²；d為高分子感濕膜厚度，mm；ε_u為相對濕度U％RH時高分子感濕膜的介電常數，可由Looyenga經驗公式表示為：