集成加熱功能高分子電容式濕度傳感器研究

鄭麗

中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱，150001

0 引言

濕度是氣象觀測中需要獲取的最重要的參數(shù)之一，也是最難準確測量的參數(shù)之一。在工農業(yè)生產、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等領域，經常需要對環(huán)境溫度和濕度進行測量[1-2]。隨著科學技術的發(fā)展，系統(tǒng)的微型化和集成化是未來傳感器發(fā)展的方向。目前，與CMOS 工藝兼容的MEMS 濕度傳感器具有體積小、價格低、產品一致性好的特點，有較好的應用前景。

氣象要素中的濕度參數(shù)的準確測量技術一直是氣象觀測的瓶頸，如高空氣象探空中的一項關鍵任務就是從地面至40 km 甚至更高空的環(huán)境濕度檢測。探空儀從云層鉆出的一瞬間，濕度敏感元件表面會結霜，導致測量失效；又如地面測試中，如遇到雨天、大霧天氣，或是在高寒或高溫地區(qū)，會出現(xiàn)濕度驟變而使?jié)穸让舾行酒砻婺Y水分[3]，導致無法實現(xiàn)濕度參數(shù)的準確測量。針對這種情況，傳統(tǒng)的高分子電容式濕度傳感器很難準確測量。隨著小型化甚至微型化的器件研制和開發(fā)，近年來，國內外科研人員開展了關于具有加熱功能的濕度傳感器研究，可以有效解決結露、結霜等問題[4-5]。

本文采用電容式工作原理[6-7]，將MEMS 技術與濕度傳感器制作技術相結合，研制出一種集成加熱功能的濕度傳感器，使用具有熱穩(wěn)定性好、介電性能好、化學穩(wěn)定性好的聚酰亞胺作為敏感材料。所制作的濕度傳感器具有靈敏度高、濕滯小、響應速度快等特點，在加熱除濕的過程中，可以不間斷地對濕度進行監(jiān)測。

1 集成加熱功能高分子電容式濕度傳感器設計

1.1 工作機理

電容型濕度傳感器的感濕機理是基于電極間的濕敏材料吸附環(huán)境中氣態(tài)水分子時引起介電常數(shù)隨之變化，其傳感器的電容量與環(huán)境中水蒸氣相對壓力（P/P0）關系由下式表示：

式中，ε0為真空介電常數(shù)；εu為相對濕度為u%RH 下高分子濕敏材料的介電常數(shù)；S為電容式傳感器有效電極面積；d為高分子感濕膜厚度。其中：

式中，εr為濕度為0%RH 時的高分子材料的介電常數(shù)；εH2O為高分子材料吸附水的介電常數(shù)；a、b為結構常數(shù)；Wu為濕度為u%RH 時高分子材料單位質量吸附水分子的質量。

1.2 微結構襯底設計

集成加熱功能濕度傳感器采用半導體工藝、MEMS 技術和薄膜技術相結合，利用單晶硅微加工技術制造加熱與濕度測試的集成濕度傳感器，采用先進的微加工的雙面光刻技術、干法刻蝕技術和濕法刻蝕技術，實現(xiàn)濕度襯底結構減薄；對單晶硅片進行體微機械加工，將硅片從背面減薄，用濕法腐蝕工藝腐蝕出硅杯，如圖1 所示，用半導體工藝在減薄的硅薄膜上制作加熱單元，用薄膜工藝在加熱單元上制造濕敏電容單元，這樣在實現(xiàn)測濕功能同時可以提高傳感器加熱效率，降低功耗。

1.3 微加熱器仿真

微加熱器設計采用的是接觸式加熱方式，即濕度敏感單元直接制作在加熱單元上邊。該加熱方式使溫場更加均勻，易于除濕。

使用ANSYS 仿真軟件對加熱功能進行仿真，仿真結果如圖2 所示。

該仿真是加熱溫度從21 ℃到55 ℃時加熱電阻的仿真效果，由圖中可見，加熱溫場均勻，并完全被覆蓋在濕度敏感芯片感濕面積下方，可以快速、均勻地將濕度芯片表面的水分去除。

1.4 濕度傳感器結構設計

高分子濕度傳感器感濕薄膜固化后，后續(xù)工藝要求更加嚴格。首先是感濕薄膜不易進行圖形化處理，其次是感濕薄膜要避免后續(xù)工藝帶來污染而使感濕性能下降。常規(guī)工藝只是采用下電極—感濕薄膜—上電極3 層結構[6]。

本文研究的濕度傳感器采用的是平板電容的結構。該濕度傳感器主要包含兩個部分：濕度敏感單元、微加熱器。其中，濕度敏感單元以貴金屬材料作為濕敏電容的兩個電極，高分子材料聚酰亞胺作為感濕電介質層，聚酰亞胺具有耐高溫、絕緣性好、化學性質穩(wěn)定、高溫介電常數(shù)穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)小、與半導體工藝兼容的特點；微加熱器采用的是摻雜的方式制成，制作在濕度敏感單元的下方。該濕度傳感器照片如圖3 所示。

此結構設計具有以下幾個優(yōu)點：

（1）濕敏電容制作工藝與半導體工藝相兼容；

（2）利用聚酰亞胺作為感濕膜，工藝簡單，降低成本；

（3）制作的濕度傳感器的加熱電阻在濕度敏感單元下面，易于集成化，工藝兼容性好；

（4）濕敏電容采用平板電容結構，可以通過增大電極與感濕材料的接觸面積或者降低敏感膜的厚度提高靈敏度、降低響應時間。

2 制作工藝

具有加熱功能的濕度傳感器制作分為兩個階段。

第一個階段是在硅片上制作微加熱器，采用摻雜的方式，制作在濕敏電容的下方。制作過程是在硅片表面生長一層致密、較厚的氧化層，通過光刻、刻蝕技術制作電阻條圖形，然后進行離子注入和退火；

第二個階段是在微加熱器上制作濕度敏感單元，本文研究的濕度傳感器采用的是平板電容的結構，該濕度傳感器主要包含電容的兩個電極、感濕膜。其中，下電極采用蒸發(fā)、光刻、腐蝕的方法制作；感濕膜以高分子材料聚酰亞胺（PI）為主，聚酰亞胺具有耐高溫、絕緣性好、化學性質穩(wěn)定[8]、高溫介電常數(shù)穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)小、與半導體工藝兼容的特點，采用旋涂的方法在下電極上涂覆聚酰亞胺薄膜，最后采用蒸發(fā)的形式制作具有多孔透氣性的上電極，上電極微觀結構見電鏡掃描分析照片，如圖4 所示，從圖中明顯可見微孔形狀，保證水蒸氣分子的吸入和吸出。

在濕度傳感器制作中，聚酰亞胺薄膜作為濕度傳感器的感濕膜，其制作過程最關鍵，直接決定濕度傳感器的感濕能力。聚酰亞胺薄膜的成膜工藝是濕度傳感器制作的關鍵步驟，本文通過高溫亞胺化實現(xiàn)敏感膜制作，亞胺化過程是指通過一次高溫熱處理之后，使分子間進一步成環(huán)增大，從而達到高分子聚酰亞胺所具有的吸濕脫濕性能，這個過程發(fā)生在固相中，需要較高的亞胺化溫度。為了避免敏感膜在亞胺化過程中產生氣泡、針孔，采用階梯升溫的加熱形式，避免了氣泡和針孔的產生，提高了靈敏度，降低了濕滯和響應時間。該階梯固化曲線如圖5 所示。

3 試驗驗證

3.1 微加熱器溫度特性測試

將濕度傳感器置于溫度箱中，由于加熱電阻同時也是溫敏電阻，通過改變溫度箱不同的溫度條件，測出當前溫度下的電阻值，計算出溫度系數(shù)，不同溫度下的阻值如圖6 所示。

通過測試計算得知，加熱電阻溫度系數(shù)為1 600×10-6℃。該加熱器作為溫度傳感器使用，根據阻值的變化來得出環(huán)境溫度變化。

3.2 微加熱器加熱特性測試

在室溫、環(huán)境濕度為30%RH 的條件下，在具有加熱功能濕度傳感器表面滴上液態(tài)水，液態(tài)水的用量使用微量加樣器控制，以覆蓋濕度傳感器表面為準，保持時間為300 s，然后對加熱電阻施加5 V 電壓，加熱時間為2 s，濕度傳感器表面的液態(tài)水瞬間蒸發(fā)，連續(xù)重復上述過程3 次，加熱除濕效果如圖7 所示。

從圖7 中可以看出，吸濕后的傳感器電容值為278 pF，第一次啟動加熱開始時間為300 s，結束時間為302 s 時，電容值降到260.35 pF，表明啟動加熱可以快速除濕。從圖7 中可以看出，多次重復上述試驗后，濕度傳感器電容值均可以由278 pF 降低到260.35 pF，表明微加熱器加熱有效，可以實現(xiàn)快速除濕，且除濕能力穩(wěn)定性好、重復性好。

3.3 濕度特性測試

將具有加熱功能的濕度傳感器放置濕度發(fā)生器中，同時使用露點儀監(jiān)測濕度發(fā)生器的溫度和濕度，使用智能電橋進行電容值測試，按照從低濕10% RH 升到高濕90% RH、再由高濕90% RH 降到低濕10% RH 的升濕、降濕過程對濕度傳感器進行濕度特性測試；按照濕度傳感器響應時間測試方法進行了響應時間測試。

性能測試結果如表1 所示，濕度特性曲線如圖8所示。

表1 濕度傳感器濕度性能測試

從表1 中可以看出，濕度傳感器具有靈敏度高、濕滯小、線性好、響應速度快等優(yōu)點，且性能指標一致性好。

從圖8 中可以看出，濕度傳感器的線性非常好，升濕和降濕過程中，曲線均接近于直線；同時可以看出，升濕和降濕曲線基本重合，表明濕滯小。

4 結束語

通過對集成加熱功能的濕度傳感器的研究，將加熱功能與濕敏電容集成化，不僅實現(xiàn)了解決濕度傳感器在高濕等惡劣環(huán)境下出現(xiàn)暫時失效這一難題，而且可以提高濕度傳感器在惡劣環(huán)境下的可靠性及耐用性。總結如下：

（1）濕度傳感器芯片集成的加熱單元既可以起到加熱除濕的效果，同時也是熱敏電阻，可以作為溫度敏感元件進行環(huán)境溫度測量；

（2）濕度傳感器具有靈敏度高、濕滯小、一致性好等優(yōu)點；

（3）加熱器加熱試驗驗證結果表明，其具有快速除濕的效果，加熱性能穩(wěn)定，能夠滿足在高濕、結露等環(huán)境條件下對濕度參數(shù)的準確測量；

（4）集成加熱功能的濕度傳感器工藝的研究為其他傳感器的研究提供了可靠的工藝參數(shù)和技術支撐。