一种三电极结构的湿度传感器芯片制造技术

本发明专利技术揭示了一种三电极结构的湿度传感器芯片，该湿度传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU；湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极；湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极构成三电极结构的湿度敏感型电容‑‑电阻复合结构；第一电极、湿度敏感材料、衬底、第三电极构成电容器结构，湿度敏感材料、衬底为电容器的复合介电层；第二电极、湿度敏感材料、衬底、第三电极也构成电容器结构，湿度敏感材料、衬底为电容器的介电层；第一电极、湿度敏感材料、第二电极构成湿度敏感电阻（湿敏电阻）结构，湿度敏感材料作为湿度敏感电阻（湿敏电阻）的湿度敏感材料；所述衬底是具备压电效应的晶体材料。

【技术实现步骤摘要】
一种三电极结构的湿度传感器芯片
本专利技术涉及一种三电极结构的湿度传感器芯片。
技术介绍
在本申请的申请人/专利技术人提出的申请号为CN2019111875813、CN2019113061843的专利技术专利申请中，分别记载了一种湿度传感器芯片、一种具备自我诊断功能的湿度传感器芯片及湿度传感器芯片的自我诊断方法，本专利技术专利申请是在上述专利技术专利申请的基础上作出的进一步改进。关于本申请的技术方案的内容、原理，本专利技术专利申请的申请人保留完整引入上述两个在先申请的专利技术专利的全部内容的权利，为简约起见，在本申请的说明书中不作过多记载。湿度传感器的相关
技术介绍
文件，可参阅：[1]Hosseinbabaei，F.andP.Shabani(2014).″Agold/organicsemiconductordiodeforppm-levelhumiditysensing.″SensorsandActuatorsB-chemical205：143-150.[2]Hosseini，M.S.andS.Zeinali(2019).″Capacitivehumiditysensingusingametal-organicframeworknanoporousthinfilmfabricatedthroughelectrochemicalinsitugrowth.″JournalofMaterialsScience：MaterialsinElectronics30(4)：3701-3710.[3]Jeong，W.，J.Song，etal.(2019).″BreathableNanomeshHumiditySensorforReal-timeSkinHumidityMonitoring.″ACSAppliedMaterials&Interfaces11(47)：44758-44763.[4]Kuang，Q.，C.Lao，etal.(2007).″High-sensitivityhumiditysensorbasedonasingleSnO2nanowire.″JournaloftheAmericanChemicalSociety129(19)：6070-6071.[5]Li，L.，F.Vilela，etal.(2009).”Miniaturehumiditymicro-sensorbasedonorganicconductivepolymer-poly(3，4-ethylenedioxythiophene).″Micro&NanoLetters4(2)：84-87.[6]Popov，V.I.，D.V.Nikolaev，etal.(2017).″Graphene-basedhumiditysensors：theoriginofalternatingresistancechange.″Nanotechnology28(35)：355501.[7]Su，P.andC.Uen(2005).″Aresistive-typehumiditysensorusingcompositefilmspreparedfrompoly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonate)anddispersedorganicsiliconsol.″Talanta66(5)：1247-1253.[8]Zhang，C.，W.Zhang，etal.(2010).″Opticalfibretemperatureandhumiditysensor.″ElectronicsLetters46(9)：643-644.
技术实现思路
本专利技术专利申请是在专利技术专利申请CN2019111875813、CN2019113061843的基础上作出的进一步改进，本专利技术专利申请的申请人保留完整引入上述在先申请的专利技术专利的全部内容的权利。本专利技术的目的在于提供一种三电极结构的湿度传感器芯片，还能实现湿度传感器芯片的自我诊断、更换提醒。实现本专利技术目的具体技术方案是：一种湿度传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，湿度敏感材料制备在衬底的正面，上电极位于湿度敏感材料的上面；所述湿度敏感材料特征在于：具有吸水特性，吸收环境空气中的水分导致电阻率随着含水率而变化。所述湿度敏感材料为有机材料，或无机材料，或有机/无机复合材料。在有些实施方式中，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU；在有些实施方式中，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、存储模块、微处理单元MCU。在有些实施方式中，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；所述湿度敏感材料为：在苯甲酸苯酯中加入重量份为5-8％的氧化亚铜、重量份为4-7％的氧化锌、重量份为4-8％的4-环氧丙烷氧基咔唑，在90-110℃下进行强力搅拌后形成的混合液，即：所述湿度敏感材料的前驱体溶液为：由氧化亚铜、氧化锌、4-环氧丙烷氧基咔唑(CAS号：53-95-2)、苯甲酸苯酯组成的疏水性油状混合液；优选地，氧化亚铜为1-10μm的颗粒状氧化亚铜，氧化锌为0.5-5μm的棒状氧化锌；优选地，氧化亚铜的重量份为5-8％，氧化锌的重量份为4-7％，4-环氧丙烷氧基咔唑的重量份为3-6％，余量为苯甲酸苯酯。所述湿度敏感模块制备方法如下：(a)制备湿度敏感材料的前驱体溶液：在苯甲酸苯酯中加入重量份为5-8％的氧化亚铜、重量份为4-7％的氧化锌、重量份为4-8％的4-环氧丙烷氧基咔唑；将混合物加热至90-110℃，采用磁力搅拌器进行强力搅拌30-60分钟，形成疏水性油状混合液；(b)湿度敏感材料制备在衬底的正面：将步骤(a)得到的疏水性油状混合液在90-110℃条件下旋涂在衬底的正面，然后自然冷却至室温；(c)采用蒸镀工艺或溅射工艺或射频磁控溅射工艺在衬底的背面制备得到第三电极；(d)采用掩膜版，通过蒸镀工艺或溅射工艺或射频磁控溅射工艺在衬底的正面的湿度敏感材料上制备得到第一电极和第二电极；可选地，步骤(c)调整到步骤(a)之前。在本专利技术的所有实施方式中，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极；湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极构成三电极结构的湿度敏感型电容--电阻复合结构，即：第一电极、第二电极之间构成湿度敏感电阻(湿敏电阻)，第一电极、第三电极之间构成湿度敏感电容(湿敏电容)，第二电极、第三电极之间也构成湿度敏感电容(湿敏电容)，且第一电极、第二电极和第三电极互相之间为同一湿度敏感材料；所述衬底是具备压电效应的晶体材料。在本专利技术中，湿度传感器测量环境空气湿度，实现方式如下：测量电路模块用于在测量时执行如下两个测量操作，且两个测量操作的先后次序不作限制：(1)测量电路模块向湿度敏感模块的第一电极和第三电极施加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三电极结构的湿度传感器芯片，其特征在于：/n传感器芯片包括湿度敏感模块，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，湿度敏感材料制备在衬底的正面，上电极位于湿度敏感材料的上面；所述湿度敏感材料特征在于：具有吸水特性，吸收环境空气中的水分导致电阻率随着含水率而变化；所述湿度敏感材料为有机材料，或无机材料，或有机/无机复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种三电极结构的湿度传感器芯片，其特征在于：
传感器芯片包括湿度敏感模块，所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；下电极位于衬底材料的背面，湿度敏感材料制备在衬底的正面，上电极位于湿度敏感材料的上面；所述湿度敏感材料特征在于：具有吸水特性，吸收环境空气中的水分导致电阻率随着含水率而变化；所述湿度敏感材料为有机材料，或无机材料，或有机/无机复合材料。


2.一种三电极结构的湿度传感器芯片，传感器芯片包括湿度敏感模块和测量电路模块，其特征在于：
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、上电极和下电极；所述湿度敏感材料为：在苯甲酸苯酯中加入重量份为5-8％的氧化亚铜、重量份为4-7％的氧化锌、重量份为4-8％的4-环氧丙烷氧基咔唑形成的均匀的混合物。


3.一种三电极结构的湿度传感器芯片，具有三电极结构，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU；其特征在于：
相对于申请号为CN2019111875813的在先发明专利申请，不含有独立的存储模块；
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极；湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极构成三电极结构的湿度敏感型电容--电阻复合结构；
第一电极、第二电极之间构成湿度敏感电阻(湿敏电阻)，第一电极、第三电极之间构成湿度敏感电容(湿敏电容)，第二电极、第三电极之间也构成湿度敏感电容(湿敏电容)，且第一电极、第二电极和第三电极互相之间为同一湿度敏感材料；
湿度敏感材料制备在衬底的正面，第一电极、第二电极均位于湿度敏感材料的上面，第三电极位于衬底材料的背面；第一电极、第二电极为一对互相围绕而不接触的、其间具有湿度敏感材料的双电极；
第一电极、湿度敏感材料、衬底、第三电极构成电容器结构，湿度敏感材料、衬底为电容器的复合介电层；第二电极、湿度敏感材料、衬底、第三电极也构成电容器结构，湿度敏感材料、衬底为电容器的介电层；第一电极、湿度敏感材料、第二电极构成湿度敏感电阻(湿敏电阻)结构，湿度敏感材料作为湿度敏感电阻(湿敏电阻)的湿度敏感材料；
所述衬底是具备压电效应的晶体材料。


4.一种三电极结构的湿度传感器芯片，具有三电极结构，传感器芯片包括湿度敏感模块、测量电路模块、微处理单元MCU、存储模块；其特征在于：
所述湿度敏感模块包括湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极；湿度敏感材料、衬底、第一电极、第二电极和第三电极构成三电极结构的湿度敏感型电容--电阻复合结构；
第一电极、第二电极之间构成湿度敏感电阻(湿敏电阻)，第一电极、第三电极之间构成湿度敏感电容(湿敏电容)，第二电极、第三电极之间也构成湿度敏感电容(湿敏电容)，且第一电极、第二电极和第三电极互相之间为同一湿度敏感材料；
湿度敏感材料制备在衬底的正面，第一电极、第二电极均位于湿度敏感材料的上面，第三电极位于衬底材料的背面；第一电极、第二电极为一对互相围绕而不接触的、其间具有湿度敏感材料的双电极；
第一电极、湿度敏感材料、衬底、第三电极构成电容器结构，湿度敏感材料、衬底为电容器的复合介电层；第二电极、湿度敏感材料、衬底、第三电极也构成电容器结构，湿度敏感材料、衬底为电容器的介电层；第一电极、湿度敏感材料、第二电极构成湿度敏感电阻(湿敏电阻)结构，湿度敏感材料作为湿度敏感电阻(湿敏电阻)的湿度敏感材料；
所述衬底是具备压电效应的晶体材料。


5.如权利要求4或3所述的一种三电极结构的湿度传感器芯片，其特征在于：权利要求3中的湿度敏感模块、微处理单元MCU、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到湿度传感器芯片；或，权利要求4中的湿度敏感模块、微处理单元MCU、测量电路模块、存储模块通过层叠封装技术集成在一片衬底材料上得到湿度传感器芯片；
如权利要求3或4所述的一种三电极结构的湿度传感器芯片：
优选地，第一电极、第二电极为一对叉指电极，或一对螺旋形电极，或一对回形电极；
优选地，第一电极、第二电极、第三电极为金电极或银电极；
优选地，第一电极、第二电极、第三电极均采用蒸镀工艺或溅射工艺或射频磁控溅射工艺制备得到。
优选地，所述湿度敏感材料为有机材料，或无机材料，或有机/无机复合材料；
优选地，湿度敏感材料为疏水性材料，以避免湿敏传感层在较高的湿度条件下由于溶解在较高湿度下的水中而剥离；
优选地，所述衬底是石英薄片；
优选地，第一电极、第二电极之间设置一个由微处理单元MCU控制的电子开关，在测量所述湿度敏感模块的谐振频率时，所述电子开关由微处理单元MCU控制处于导通状态，使得第一电极、第二电极短路连接，其余时间所述电子开关则保持断开状态；
优选地，所述电子开关为一对PMOS/NMOS构成的传输门；传输门的控制端连接至微处理单元MCU；
优选地，湿度敏感模块中还集成有温度传感器，温度传感器连接至测量电路模块，测量电路模块将测量得到的湿度敏感材料的温度值传输至微处理单元MCU，微处理单元MCU根据所述温度值对测量得到的环境空气湿度值进行修正。


6.如权利要求5所述的一种三电极结构的湿度传感器芯片，其特征在于：
测量电路模块用于在测量时执行如下两个测量操作，且两个测量操作的先后次序不作限制：
(1)测量电路模块向湿度敏感模块的第一电极和第三电极施加预设频...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹海宏，赵晨媛，王志亮，宋长青，施天宇，印川，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32