（微电子学与固体电子学专业论文）电容式聚酰亚胺湿度传感器温漂特性研究.pdf

摘要 摘要 湿度传感器广泛地应用于测量和控制领域，包括工艺控制、气象、农业和医疗设备。常见的m e m s 湿度传感器大致可以分为下列几种类型：电容式、电阻式、悬臂梁式、晶振式、以及热电偶式。 本实验室在聚酰亚胺电容型湿度传感器领域进行了深入的研究，在实际测试中发现该类型湿度 传感器普遍存在温度漂移，影响了工作稳定性。本论文针对这一问题进行了研究，分析了导致湿度 传感器温漂特性的三个主要原因，并根据温漂特性研究的需要，简化了原有传感器的结构，采用不 同工艺参数加工制造了一批湿度传感器样品，通过对样品的测试进一步验证和完善了理论模型。 首先，加工制造工艺对湿度传感器的性能有很大影响，尤其是其中的亚胺化工艺决定了感湿层 的介电特性、机械特性和化学稳定性。在此项工艺中，阶梯加热法比直接加热法优越。阶梯加热法 可以得到较低残余应力的感湿薄膜，这样的薄膜具有较低的热膨胀系数，从而可以抑制由于感湿层 受热膨胀而导致的温漂。另外，最高亚胺化温度是影响感湿薄膜的密度、热膨胀系数、吸湿特性的 重要因素。通过对最高亚胺化温度2 5 0 ，3 0 0 ，3 5 0 ，4 0 0 下制作的湿度传感器对比测试可以 发现，3 5 0 的样品具有最高的灵敏度，0 0 2 7 5p f r h ，比2 5 0 的样品高3 0 ，同时温漂特性得 到了很好的抑制，湿度温度系数为0 4 r h c ，仅达到2 5 0 下制得样品的一半。 其次，通常情况下聚酰亚胺是一种非常稳定的有机高分子聚合物，在环境湿度较高的情况下会 发生水解，酰亚胺环容易与水分子中的羟基负离子结合，而开环形成类似聚酰胺酸的结构。随着温 度的升高，水解更为严重，使得感湿层材料性质发生改变，其介电常数也会随之变化，导致输出电 容发生漂移，加剧了湿度传感器的温漂。根据测试结果，当聚酰亚胺样品暴露在高温高湿条件下7 5 0 小时后，介电常数随湿度变化曲线的斜率提高了4 2 ，输出电容也将发生相应变化。 再次，聚酰亚胺热膨胀会对温漂特性产生影响，由于聚酰亚胺和衬底材料热膨胀系数失配产生 了热应力，该热应力导致了电致伸缩增强效应，引起感湿层介电常数变化。本论文结合聚酰亚胺电 容型湿度传感器的具体结构给出了电致伸缩加强效应模型，并将理论计算结果与实验测试数据对比， 证明聚酰亚胺热膨胀是造成温漂的重要原因。 根据以上研究所得到的结论，进一步提出了抑制温漂特性的方法： 第一，在亚胺化工艺中应采用阶梯加热方法，并适当提高最高亚胺化温度，测试中发现3 5 0 下制得的样品具有良好的感湿特性，并且温漂特性得到了很大改善，但是最佳温度值有待于通过大 量实验得出。 第二，为了抑制感湿层材料的水解，可以选用一些高稳定性的聚酰亚胺材料作为感湿层，因为 聚酰亚胺长链分子中二胺和二酐类型不同，对水解的稳定性有很大差异，例如，h q d e a - 4 b d a f 型 聚酰亚胺就是一种很好的选择。 第三，通过掺杂等方法可以有效降低聚酰亚胺的热膨胀系数，减小感湿层与衬底材料的熟失配， 抑制电致伸缩增强效应，改善传感器温漂 关键字：湿度传感器，电容传感器，聚酰亚胺，温漂特性，稳定性 a b s t r a c t a b s t r a c t h u m i d i t ys e n s o r sa r ew i d e l yu s e di nm a n ym e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la p p l i c a t i o n , i n c l u d i n gp r o c e s sc o n t r o l ， m e t e o r o l o g y , a g r i c u l t u r ea n dm e d i c a le q u i p m e n t h u m i d i t ys e n s o r sc a l lb ec a t e g o r i z e di n t oc a p a c i t i v e ， r e s i s t i v e ，m e c h a n i c a l ，o s c i l l a t i n ga n dt h e r m oe l e m e n t a lt y p eb a s e do nd i f f e r e n ts e n s i n gp r i n c i p l e s r e s e a r c h e r si nk e yl a b o r a t o r yo fm e m so fm i n i s t r yo fe d u c a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , h a v ec a r d e do u t t h o r o u g hr e s e a r c h e so np o l y i m i d ec a p a c i t i v er e l a t i v eh u m i d i t ys e n s o r t e m p e r a t u r ed r i f te f f e c ti sf o u n dt o b er a t h e ru n i v e r s a li nm e a s u r e m e n t , w h i c ha f f e c t st h ew o r k i n gs t a b i l i t yo ft h es e n s o r i nt h i sd i s s e r t a t i o n t e m p e r a t u r ed r i f te f f e c to fp o l y i m i d ec a p a c i t i v er e l a t i v eh u m i d i t ys e n s o ri ss t u d i e d s o m eo fs a m p l e sw i t h s i m p l i f i e ds t r u c t u r ea r ef a b r i c a t e dw i t hd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r si no r d e rt ov e i l f yt h ea c c u r a c yo ft h e t h e o r ym o d e l c o m p a r e dt h et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t , i ti sd i s c o v e r e dt h a tt e m p e r a t u r ed r i f te f f e c ti s c a u s e db yt h r e em a j o rr e a s o n sa sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，m a n u f a c t u r ep r o c e s sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np e r f o r m a n c eo fh u m i d i t ys e n s o r s e s p e c i a l l y , t h e i m i d i z a t i o np r o c e s sw h i c hd e t e r m i n e st h ed i e l e c t r i cc h a r a c t e r s m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dc h e m i c a ls t a b i l i t y i nt h i sp r o c e s s s t e ph e a t i n gm e t h o di sp r i o rt od i r e c tw a y t h em e m b r a n ew h i c hi sm a d eb yt h ef o r m e rw a y g a i n sl o w e rr e s i d u a ls t r e s sa n ds m a l l e rc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ( c t e ) 。t h e r e f o r e 。t h et e m p e r a t u r e d r i f tc a u s e db yt h e r m a ie x p a n s i o ni s s i g n i f i c a n t l ys u p p r e s s e d m o r e o v e r , t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei n i m i d i z a t i o na l s oh a se f f e c to nd e n s i t yo fp o l y i m i d em e m b r a n e ，c t ea n dm o i s t u r ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n tr e s u l tf r o mh u m i d i t ys e n s o r sf a b r i c a t e du n d e r2 5 0 。c ，3 0 0 。c 。3 5 0 。c 。4 0 0 0 ca s m a x i m u mi m i d i z a t i o nt e m p e r a t u r e s e n s o r sp r o c e s s e di n3 5 0 0 cp o s s e s st h eh i g h e s ts e n s i t i v i t y , 0 0 2 7 5 p f r h ，w h i c hi s3 0 h i g h e rt h a n2 5 0 。c s a tt h es a m et i m e 。t h et e m p e r a t u r ed r i f ti so b v i o u s l y s u p p r e s s e d , a n dt h ec t ei s0 4 i u l o c o n l yh a l f o f t h e2 5 0 0 c s s e c o n d l y , t h eh y d r o l y s i so fp o l y i m i d ew i l lo c c u r si nh i g hh u m i d i t yc i r c u m s t a n c e s w h i c hm e a n st h ei m i d e r i n g so fp o l y i m i d ec h a i n sc o u l db ec o m b i n e dw i t hh y d r o x y ln e g a t i v ei o n si nw a t e rm o l e c u l e si nt h e c i r c u m s t a n c e so f h i 曲h u m i d i t y w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h eh y d r o l y s i sw i l lb em o r es i g n i f i c a n t , c h a n g i n gt h em a t e d a lp r o p e r t i e sa n da l s ot h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t a c c o r d i n g l y , t h et e m p e r a t u r ed r i f te r i e c t t u r n st ob em o r es e r i o u s a st h em e a s u r i n gd a t a , t h es l o p eo fp e r m i t t i v i t yc h a n g i n gw i t hh u m i d i t yc l i m bu p b ya b e u t4 2 a f t e rb e i n ge x p o s e di nh i g ht e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ye n v i r o n m e n t l a s tb u tn o tl e a s t , t h e r m a le x p a n s i o no fp o l y i m i d ei sa l s oa ni m p o r t a n tr e a s o no f t e m p e r a t u r ed r i f t a sa r e s u l to ft h em i s m a t c ho fc t eb e t w e e np o l y i m i d ea n ds u b s t r a t e ，t h e r ew i l lb et h e r m a ls t r e s si nt h e p o l y i m i d el a y e r , w h i c hl e a d st oe l e c t r o s t r i c t i o ne n h a n c e m e n te f f e c tt h a tc a u s e st h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta l t e r t h eo u t p u tc a p a c i t a n c ec h a n g er e l a t e dt oe l e c t r o s t r i c t i o ne n h a n c e m e n te f f e c tt a k e sp a r to f4 0 o ft h e o v e r a l lc h a n g e b a s e do na b o v em e n t i o n e dr e s u l t s ，s e v e r a lm e t h o d sa r ep r o p o s e dt oe l i m i n a t et e m p e r a t u r ed r i f t ： f i r s t l y , i nt h ei m i d i z a t i o np r o c e s s ，s t e ph e a t i n gw a ya n dh i g h e rm a x i m u mt e m p e r a t u r es h o u l db ea p p l i e d 3 5 0 。cs e e m st ob ea na p p r o p r i a t et e m p e r a t u r et og e tp o l y i m i d em e m b r a n ew i t hf a v o r a b l es e n s i n gc h a r a c t e r a n ds u p p r e s s e dt e m p e r a t u r ed r i f te f f e c t u n f o r t u n a t e l y , t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ec a nb ea c q u i r e do n l yb y l a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t s s e c o n d l y , s o m et y p eo fp o l y i m i d es u s t a i n i n gt oh y d r o l y s i sc o u l db eu s e da sm o i s ts e n s i n gl a y e r f o r e x a m p l e ，h q d e a - 4 一b d a fm a yb ean i c ec h o i c e ，b e c a u s eo f t h es p e c i a ls t r u c t u r eo fd i a m i n ea n dd i h y d r i d e i nt h el o n gc h a i nm o l e c u l a r t h i r d l y , t h ec t eo fp o l y i m i d ec a r lb ed e c r e a s e db yd o p i n ga n ds o m eo t h e rw a y s ，w h i c hw i l le l i m i n a t et h e m i s m a t c ho fp o l y i m i d ea n ds u b s t r a t ea n ds u p p r e s st h e t e m p e r a t u r ed r i f tc a u s e db ye l e c t r o s t r i c t i o n e n h a n c e m e n te f f e c t k e yw o r d s ：h u m i d i t ys e n s o r , c a p a c i t i v es e n s o r , p o l y i m i d e ，t e m p e r a t u r ed r i f te f f e c t , s t a b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 年日 期：趟中i 厂 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 加彩中旷 。- - 一 第一章引言 第一章引言 湿度，通常是指空气中水蒸气的含量。人们的日常生活和工农业生产，以及动植物的生长和生 存，都与周围的环境湿度有着密切的关系。例如，一般人在4 5 5 5 的相对湿度下感觉最舒适，湿度 过高人会感到闷热；许多货物比如化学药剂、烟、酒、香肠、木材、艺术品、集成电路等等也必须 在一定的湿度或在湿度为零的条件下存放。因此在许多仓库、博物馆、图书馆、计算机中心和一些 工厂( 比如微电子工业) 中都有空调装置来控制室内的湿度。 人类对湿度的测量和研究经历了很长的发展阶段：湿度测量的历史最早可以追溯到公元前1 7 9 年我国先入发明的天秤型湿度计。1 7 世纪开始，由于工农业生产发展和科学技术进步的要求，人类 制成了毛发湿度计，1 8 世纪制成了干球湿度计，这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率都不够高， 无法实现电信号输出，难以同电子电路或自动控制系统及仪器相连接。1 8 3 8 年，美国人顿蒙( d u n m o n ) 首先研制出了l i c i 电解质湿度传感器，有效解决了上述问题，在湿度传感器的历史上具有重要意义。 如今，湿度传感器广泛应用于军事，气象，农业，工业，医疗，建筑以及家用电器等方面，在人们 的生产和生活中发挥着重要的作用。 随着集成电路和半导体行业的快速发展，利用m e m s ( 微电子机械系统) 技术制造微型传感器 和执行器成为越来越多科学家研究的热点。这一技术充分利用集成电路工业大批量低成本制造的技 术优势，将湿度传感器与处理电路进行片上集成，实现湿度传感器的智能化，集成化。采用m e m s 技术生产出的微型湿度传感器具有很多优点，如：速度快、测量精度高、能量消耗少等等。 在m e m s 湿度传感器的设计制造过程中，感湿介质的选择是一个非常重要的问题。常见的感湿 介质包括：聚合物、金属氧化物和陶瓷等等。聚酰亚胺( p i ) 是一类以酰亚胺环为特征结构的高分 子聚合物，具有突出的耐热性、优良的机械性能、较好的电学性能等，在半导体工艺中广泛应用于 钝化层或者是多层布线。由于聚酰亚胺具有很好的感湿特性，并且与成熟的c m o s 工艺兼容，适宜 批量生产，且一致性非常好，所以被许多学者用于制造m e m s 湿度传感器，目前国内外主要研究的 聚酰亚胺湿度传感器主要有三种类型：悬臂梁型、电容型、压阻型。其中电容型湿度传感器，由于 结构简单，功耗小，输出信号幅值大等优点受到重视，具有良好的发展前景和广阔的应用领域，受 到国内外很多学者的重视。 本实验室结合自身实际情况，在电容型聚酰亚胺湿度器领域进行了广泛而深入的研究。但是， 在实际测试中发现该型湿度传感器存在一些缺陷，如：滞回现象、温漂特性、长期使用稳定性等。 其中，温漂特性的影响尤为严重，传感器的输出电容会随温度改变发生漂移，从而影响了测试稳定 性，使得电容式聚酰亚胺湿度传感器的商品化和应用范围受到很大限制。 本文将对聚酰亚胺电容型湿度传感器的温漂特性进行研究，从理论上分析造成温漂的主要原因， 并结合实验测试数据进行论证。 1 1 研究背景 2 0 世纪5 0 年代，集成电路出现，发展到今天已经成为电子信息产业的基础。上世纪7 0 年代， 微加工技术作为一种新型加工技术出现，经过科研工作者的不断努力，如今微型结构可以像集成电 路样被大批量制作在硅片上，并实现了硅微机械结构与电路的单片集成，从而进一步促进了微电 子学科的发展，导致了微电子机械系统( m e m s ) 的出现。m e m s 技术使得微传感器的实现成为可 能。应用集成电路技术和微加工技术设计制造传感器，除了要考虑材料的电学特性，同时还必须研 究机械特性，化学性能等其他特性，以及他们对材料电学特性的影响。正因为如此，微型传感器的 设计制造是一个多学科交叉，需要多方面协调统筹的复杂过程。 采用m e m s 技术制造的湿度传感器已有十多年的历史。总的来说可以分为以下几类：( 1 ) 电容 型湿度传感器【i 1 l ；( 2 ) 电阻型湿度传感器【1 2 】：( 3 ) 压阻型湿度传感器【1 j 1 ；( 4 ) 悬臂梁型湿度传感 器i l 4 j ；( 5 ) 热电偶型湿度传感器【l 5 】。电阻型湿度传感器受温度影响很大，工作范围受到限制：压阻 型工艺比较复杂，无法使用成熟的c m o s 工艺进行加工：悬臂梁型湿度传感器存在可动部件，可靠 性，稳定性比较差：热电偶型传感器虽然易于c m o s 工艺集成，但由于热导与环境相关，不同环境 下热导不同，影响了传感器的工作准确性。综合各方面因素比较而言，电容式湿度传感器具有其他 类型传感器不可替代的优势，加之结构比较简单，使得电容式湿度传感器的研究成为当前硅湿度传 1 东南大学硕士学位论文 感器研究的首选。该类型传感器主要工作原理是，感湿电介质吸收空气中的水汽分子导致介电常数 发生变化，从而引起输出电容值的改变。可供选择的感湿介质的种类很多，例如：多孔硅、多孔铝 和以聚酰亚胺为代表的一些高分子材料。由于聚酰亚胺具有优良的机械特性、高温下性能可靠以及 良好的化学稳定性，并且可以进行光刻图形化，所以被收到国内外学者的青睐，被广泛应用于湿度 传感器领域。 本实验室在电容型聚酰弧胺湿度传感器领域进行了长期的研究，并取得丰硕的成果：顾磊设计 了一种c m o s 工艺兼容的聚酰亚胺叉指电容湿度传感器i l 6 】；严先蔚设计了湿度传感器测量处理电路 ”】；彭绍华将聚酰亚胺电容型湿度传感器和测试电路进行了片上集成【】。8 l 。在测试中发现，该型湿度 传感器存在明显的温漂特性，影响了工作稳定性。关于电容型聚酰亚胺湿度传感器的温漂特性国内 外尚无研究，无法从机理上解释这一特性。目前，与之相关的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 聚酰亚胺材料特性的研究：例如：中科院长春应化所的丁孟贤等对聚酰亚胺的化学、结构、 性能等方面进行了全面系统的概括和归纠1 9 】；湖北化学研究所李友清等介绍了聚酰亚胺材料的缺点 及研究动向，重点介绍可溶型、低热膨胀型等8 种p i 材剃1 1 0 l ：湖北省化学研究所徐庆玉等评述国 内外对地热膨胀聚酰亚胺制备方法和应用等方面的研究1 1 1 l 】。这些研究着重从化学和材料科学的角度 对于聚酰亚胺进行了研究。 ( 2 ) 聚酰亚胺电学特性和机械特性研究：例如：德国亚琛技术大学的j m e l c h e r 等于1 9 8 9 年测 试了p i 薄膜在8 0 3 2 5k 温度范围内的复介电常数变化2 】；德国德累斯顿技术大学的s a g e r 等测 试了不同湿度环境下p i 薄膜的膨胀特性0 1 3 j 。 ( 3 ) 聚酰亚胺稳定性研究：例如：美国威斯康星麦迪逊大学的d e n t o n 及其团队从1 9 9 0 年开始 对电容型聚酰亚胺湿度传感器在高温高湿环境下的稳定性问题进行了研究i l 1 4 】，发现聚酰亚胺膜长期 置于高温高湿环境中，其表面化学性质将发生显著变化。 本论文结合以上相关方面的研究成果，从理论上分析影响电容型聚酰亚胺湿度传感器温漂特性 的主要因素，并通过实验测试数据进行验证。 1 2 本论文的主要工作 ( 1 ) 研究相关文献资料，主要弄清聚酰亚胺的感湿原理、机械特性、吸湿膨胀及热膨胀特性、 湿气扩散特性、介电特性等，找出影响温漂特性的主要因素，并建立初步的理论模型。 ( 2 ) 采用不同的工艺参数制造一定数量的电容型聚酰亚胺湿度传感器，并进行相关测试。 ( 3 ) 通过对实验数据的对比分析，验证理论模型的正确性。 ( 4 ) 结合研究结论，对聚酰亚胺类型以及相关工艺流程提出改进意见，以抑制电容式聚酰亚胺 湿度传感器的温漂特性，提高稳定性。 1 3 论文纲要 第一章，主要介绍湿度传感器及其温漂特性，并提出了本论文的主要工作。第二章，着重介绍 微型湿度传感器和感湿材料的种类和特点。第三章，分析聚酰亚胺型湿度传感器感湿机理，提出了 影响温漂特性的三个重要因素。第四章，研究加工制造工艺与温漂特性之间的关系。第五章，研究 聚酰亚胺水解对温漂特性的影响。第六章，论述了聚酰亚胺热膨胀所产生的电致伸缩效应对温漂特 性的影响。最后一章给出本篇论文的结论和展望，针对研究所的结论，提出抑制温漂特性的方法。 2 第二章湿度传感器概述 第二章湿度传感器概述 2 1 湿度的表示方法 湿度，指的是空气中含有水蒸气的量，即空气中含有水汽的多少，它用来反映空气的干、湿程 度。 在物理学和气象学中，湿度的表示方法是多种多样的。比如：混合比，比湿度，体积比，摩尔 分数和饱和度等等。其中，经常使用的方法水蒸气百分含量法，绝对湿度，相对湿度，露点( 霜点) 等表示方法【2 1 1 。 2 1 1 水蒸气百分含量法 水蒸气百分含量法是一种非常直观的表示湿度的方法，与溶液的概念相似，将湿润的空气看成 由干燥空气和水汽组成的混合气体。水蒸气百分含量法包括质量百分比法和体积百分比法。在质量 为m 的混合气体中，若含有水蒸气的质量为m ，则质量百分比为m m 1 0 0 。 与质量百分比类似，在体积为v 的混合气体中，若含有水蒸气的体积为v ，则体积百分比为v v 1 0 0 。 2 1 2 绝对湿度 绝对湿度表示单位体积内，空气中所含水蒸汽的质量，可以表示为： m p 。2 一 i t ( 2 1 ) 式中，1 1 1 表示空气中水蒸汽的质量，v 表示空气总体积，p 。表示空气的绝对湿度，单位是g m 3 或 m g m 3 ，这也是密度单位，所以绝对湿度就是空气中水蒸汽的密度。 2 1 3 相对湿度 相对湿度表示空气的水蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度，通常用百 分比( l m ) 来表示，其表达式如下： p r h = 二1 0 0 ( 2 2 ) e s 式中，e 表示空气中存在的水蒸气压，e 。表示在同一温度下的饱和蒸气压，即空气中所含水蒸气压的 最大值，温度越高，饱和水蒸气压越大。 在实际生活中，许多与湿度有关的现象，如水分子蒸发的快慢，人体的自我感觉空气的干湿程 度，都是与空气中水蒸气压和同温度下水的饱和蒸气压之间的差值有关。因此，在湿度传感器中， 常常使用相对湿度。 2 1 4 露点霜点法 众所周知，水的饱和蒸气压是随着环境温度的降低而逐渐下降的。由此可见，在同样的空气水 蒸气压下，空气的温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸汽压差值就越小。当空气的 温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压将与同温度下水的饱和水蒸气压相等，此时空气中的水 蒸气将向液相转换而凝结为露珠，此时，相对湿度为1 0 0 r h ，这一特定的温度，人们称之为空气 的露点温度简称露点。如果这一特定温度低于0 c 时，水蒸气将结霜，因此，又可称为霜点温度， 通常两者不予区分，统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可以用露点表示空气中的 湿度大小。 3 东南大学硕士学位论文 2 2 湿度传感器的发展 湿度测量与控制领域的研究相对温度而言起步晚的多。1 7 世纪，人类才利用毛发会吸湿膨胀的 原理制成了毛发湿度计，1 8 世纪制成了干球湿度计，这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率都不 够高，而且是非电信号的湿度测量，难以同电子电路或自动控制系统及仪器相联结。1 8 3 8 年，美国 人顿蒙( d u n m o n ) 首先研制出了l i c i 电解质湿度传感器，湿敏的基本原理是由于空气中的湿度变 化，引起湿度传感器敏感电阻值的变化，从而实现了将湿度变化转变为电信号变化，这一发明在湿 度传感器的历史上具有重要意义。随着传感器技术的发展，一些新的材料和工艺大量应用，使得的 湿度测量精度不断提高，在可靠性、灵敏度、测量范围等性能指标方面较传统湿度传感器有了本质 提高。 随着集成电路和半导体行业的快速发展，利用m e m s ( 微电子机械系统) 技术制造微型传感器 和执行器成为越来越多科学家研究的热点。m e m s 技术的重要作用在于使传感器小型化，应用m e m s 技术生产出的微尺寸传感器响应速度快、测量精度高、能量消耗少等许多优点。通过与成熟的i c 器 件集成，微传感器可以实现多重功能并获得较高的稳定性。 2 3 湿度传感器的分类 湿度传感器的分类方法可以有很多种，这里只讨论最主要的两种分类方法： ( 1 ) 按照测量单位分类。按照测量单位的不同，湿度传感器可以分为两大类：一类为相对湿度 传感器，用于显示空气中相对湿度的大小，即在某一温度下，待测气体中水蒸气压与饱和蒸气压的 百分比，大多数湿度传感器都用于测量相对湿度。另一类为绝对湿度传感器，用于测量单位体积内， 空气中所含水蒸气的质量。最为典型的绝对湿度传感器是霜露点传感器。众所周知，水的饱和蒸气 压是随着环境温度的降低而逐渐下降的。由此可见，在同样的空气水蒸气压下，空气的温度越低， 则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸汽压差值就越小。当空气的温度下降到某一温度时，空气 中的水蒸气压将与同温度下水的饱和水蒸气压相等，此时空气中的水蒸气将向液相转换而凝结为露 珠，此时，相对湿度为l o o l ，这一特定的温度，人们称之为空气的露点温度简称露点。如果这 一特定温度低于o 时，水蒸气将结霜，因此，又可称为霜点温度，通常两者不予区分，统称为露 点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可以用露点表示空气中的湿度大小。 ( 2 ) 按照工作原理分类。按照传感器工作原理不同进行分类，是一种便捷且直观的方法，也是 最常用的分类方法。常见的传感器大致可以分为光敏湿度传感器、重力湿度传感器、电容型湿度传 感器、电阻型湿度传感器、压阻型湿度传感器、磁致弹性湿度传感器等。每一种传感器都有其独特 的性能和优点，同时也具有自身难以克服的缺点，制造一种理想的湿度传感器一直是工程技术领域 的热门问题。 2 4 湿度传感器主要性能指标 本节将对湿度传感器的主要特性参数叫1 进行介绍。 2 4 1 湿度量程 保证一个湿敏元件能够正常工作所允许环境相对湿度变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿 度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是o 1 0 0 r h 的 全量程。 2 4 2 相对湿度特性曲线 每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。湿敏元件的感湿特征量随 环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的相对湿度特征曲线，简称感湿特性曲线。人们希望特 4 第二章湿度传感器概述 性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈线性。斜率大小应适当，因为 斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低；这些都将会给测量带来困难。 2 4 3 灵敏度 湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映元件感湿特征量随环境湿度的变化程度，针 对于不同的湿度传感器，感湿特征量可以是电容、电阻、电流等等。由此可知，从数学角度灵敏度 可以定义为湿敏元件的感湿特性曲线的斜率。如果感湿特性曲线是直线，用直线的斜率来表示湿敏 元件的灵敏度是恰当可行的。 然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的，在不同的相对湿度范围内的曲线具有不同 的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。 目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是用元件在 不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。 2 4 4 湿度温度系数 湿敏元件的温度系数可以定义为感湿特性曲线随环境温度改变而变化的特性参数。在不同的环 境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不同的，由此直接给测量带来误差，影响了湿度传感器的稳 定性。温度系数主要包括特征量温度系数和湿度温度系数两种。 温度系数是传感器温漂特性的重要表征量，在后续章节中将做进一步的阐述。 2 4 5 响应时间 响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定为 响应相对湿度变化量的6 3 时所需要的时间。在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。一 般希望响应时间快一些为好。 2 4 6 滞回特性 各种湿敏元件吸湿和脱湿的特性曲线也不同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称之为滞回现象。 滞回现象可以用滞回特性曲线所构成的回线来表示，我们称之为滞回曲线。在滞回曲线上所表示的 最大量差值为滞回差，一般希望滞回差越小越好。 2 4 7 理想的湿度传感器应当具备的性能 从工程技术人员的角度来看，理想的湿度传感器应当具备一下性能：首先，在各种气体环境下， 性能稳定，不受尘埃、雨水、腐蚀性物质等外界因素的影响，使用寿命长：其次，受温度的影响小， 即温漂特性不明显，尽可能保证不同温度下输出信号的一致性；再次，具有良好的线性度，重复使用 输出信号的稳定性好，灵敏度高，滞回差小，响应速度快；另外，尺寸小型化，易于制作和安装，且 通用性强。 在湿度传感器的实际制造和使用过程中，理想情况是很难达到的，所以在设计过程中须从实际出 发，综合考虑实际应用需要、技术指标以及设计生产成本等多方面的因素，进行相应的折中，从而达 到最优化。 2 5 常用微型湿度传感器 2 5 1 光学湿度传感器 常见的光学湿度传感器主要有光纤湿度传感器和机械光电湿度传感器。光纤湿度传感器利用包 覆在光纤芯表面的吸湿材料的比色交感特性检测湿度变化。其具体原理为吸湿导致材料折射率变化， 进而引起通过传感区域的透射光强发生变化。k h a r a z 和j o n e s t 2 2 1 提出了一种基于比色交感理论的光 纤湿度传感器，该传感器采用二氯化钴作为感湿材料。如图2 1 所示，除去5 0 r a m 长的光纤覆盖层， 并用二氯化钴薄层替代，温度固定为3 6 c ，测试结果表明随着湿度的变化，传感器吸收光谱的波长 5 东南大学硕士学位论z 范围为6 0 0 - 7 4 0m n l i g h t i n p u t m o i s t u r es e n s i n gl a y e r 瓜，i 、j 、j i ，i j 、 f i b e r c l a d d i n g f i b e rc o m l t g h t i n p u t ： l 圜一 l i g h t 一 圉2 1 光纤传感器的机构图 h a 等人提出丁机械光电湿度传感器，这种传感器由发光器件、光电二极管和机械装置组成。 在此器件中，毛发柬一端固定，另一端连接一个金属薄片，薄片开了一个窗1 3 井且底部连接弹簧。 当湿度发生变化时，毛发发生收缩或膨胀从而拉动金属片上升或下降，窗口的大小也随之旋生改变， 由此，光电二极管可以检测出发光电源强度的变化，咀光电流的形式输出。在使用中可班发现相对 于电容型或电阻型湿度传感器，机械光电湿度传感器具有稳定性好、温度依赖小等特点。 总的来说，光学湿度传感器灵敏度高、性能稳定、精度高、温度依兢性小，尤其在测量微小湿 度方面较其他类型传感器精确。但是它也具有一些缺点：滞回现象突出，一般在05 到i r h 之 间：体积过太，由于光电传感器结构较为复杂，且需要采用光源和复杂的检测设备更重要的是通 用的c m o s 技术很难运用于这一类的传感器，所以其小型化变得尤为困难：另外，能耗过大制造 成本过高也是这类传感器的缺点。以上的这些缺点很大程度上限制了光电湿度传感器的广泛麻用。 2 5 2 重力湿度传感器 重力湿度传赌器主要采用表面声波( s a w ) 作为检测手段。w o h l t j e n 提出了一种具有高灵明度 的表面声波传感器，如图2 2 所示。当在输入端的叉指转换器端加上r f 信号时，表面声波将沿着衰 减路径传播。表面声波将通过感湿层到达输出端的叉指转换器，并褴转换成电信号输出口i 。 图2 2s a w 传感器示意图 根据这一原理，湿度导致吸湿层密度发生变化，进而使得表面波的相速v 。发生相应变化v 。数 学表达式如下： i a v 一三擎p ( a w + a ：) ( 23 ) 其中- h 表示吸湿层的厚度，a v 表示质量密度变化， 表示声波波k ，a i ( i ；x ，hz ) 为s a w 规格化位 移振幅。相对湿度可阻通过测量相速度的相对变化量得到。相速度的相对变化量和频率间的关系可 以有如下公式表示。 第= 湿度传感g * t vf v or o 腥由于吸收水蒸气而引起的频率变化，f o 是s a w 的初始频率。典型的s a w 湿度传感器采_ l | j r f 放大器，其震动频率由频率计数器监测。尽管这类传感器的灵敏度很高，但是由于震动所造成的不 稳定会给实际应用带来很多问题。 总的来说重力湿度传感器具有灵敏度高，时间短、设定简单等优点。但其需要昂贵的驱动和 检测设备。 2 5 3 电容型湿度传感器 电容型湿度传感器是非常重要的一共湿度测量传感器，据统计其大约占整个湿度传感器市场份 额的7 5 。电容型湿度传感器有很多优点，如：功耗小、输出信号幅值大等。其工作原理为：当环 境湿度变化，吸湿层的介电常数也发生变化，从而引起电容的变化，通过测量电容变化量就可以知 道环境湿度的大小。常用的电容型湿度传感器包括：三明治型、平铺叉指型和悬臂粱型。 ( 1 ) 三明治型 传统的三明治型湿度传感器如图23 所示，其基本结构为上下两层金属中间制作一层感湿介质， 电容是基本的平板电容器。当湿度发生变化时，水蒸汽透过上层较薄的金属被感湿层吸收感湿介 质层的介电常数随之发生变化，从而改变传培器输出电容。 s h i b a t a 等人“”在传统三明治结构电容型湿度传感器的基础上进行丁改进，井采用聚酰亚睦材 料作为感湿材料。在该设计中，硅片下表面被蒸上一层金作为下极板，上表面制作聚酰亚胺感湿层 以及金电极，并再次涂覆一层聚酰亚胺，将上极扳包裹在两层聚酰亚胺中构成三明治结构。该传感 器在精度、响应时间和可靠性方面都有显著提升。 m o i s t u r e 图23 三明治型湿度传感器 ( 2 ) 平铺叉指型 平铺叉指型的湿度传感器如图2 4 所示，铝叉指电极在同一平面上，屯极之间嵌有一层舟质层， 电容是左右横向结构。当湿度发生变化时，中间感湿介质层的介电常数也随之发生变化，从而改变 结构的电容值。这种结构优点在工艺简单，易于和测量电路集成；缺点在电容值较小，灵敏度低。 面冀二唾 蚓2 4 平铺义指型电容式湿度传感器 $ 商大学砸i 学位论文 ( 3 ) 悬臂粱型 图2 5 是l e e 等研制的一种悬臂梁型的湿度传感器【2 q ，这种传感器实际上是一个可变电容器结 构通过硅玻璃键台形成电容器的上极板并由体硅腐蚀形成悬臂梁，即电窖器f 极板。当空气中 的湿度改变时，附在悬臂粱上的聚酰亚胺会吸附或脱附空气中的水汽分子发生膨胀或收缩从而产生 应力产生的应力会使恳臂梁发生相应的弯曲，进而改变电容上下极板间距，使得悬臂粱和玻璃之 间的电容发生变化。这种传感器灵敏度很高，可选到2 0 n f r h 但结构比较复杂，工艺难度太。 2 5 4 电阻型湿度传感器 图2 5 悬臂粱型湿度传礴器 电阻型湿度传感器与电容型很相似，电容型两极板阎填充的是湿敏电介质，而电阻型两极板问 则填充温敏电阻，其工作原理也很简单，湿敏电阻的电导率随着i 显度的变化而变化，导致输出电流 发生改变。湿敏电阻材料主要有以下三粪：( 1 ) 陶瓷，( 2 ) 聚合物，( 3 ) 电解滩。 图2 6 是由另