（微电子学与固体电子学专业论文）聚酰亚胺电容型湿度传感器的研制.pdf

摘要湿度的测量不仅应用于日常生活，在工业生产、医疗、农业、气象分析、航天航空等领域也有广泛应用。随着科技的发展，湿度传感器正在从简单的湿敏元件向智能化、集成化、多参数检测方向改进，使用集成电路制造技术制备的湿度传感器具有价格低、精度高、稳定性好的优点。本文采用两种电极结构( 条栅形和格栅形) 和两种感湿介质( 不溶性聚酰亚胺和可溶性聚酰亚胺) 研制了电容型湿度传感器。对不同结构和材料的传感器做了理论研究、实际制作及测试分析。从理论上给出了器件的静态响应及动态响应特性，阐述了各种参数对器件性能造成的影响。经过工艺流片、压焊、封装、测试，获得了不同结构和材料湿度传感器的灵敏度、响应时间、湿滞等性能参数，进而做了对比分析。结果表明：在器件总面积不变的情况下，上电极线条越细，湿度传感器的响应时间越短；同种材料的情况下，上电极为格栅形的湿度传感器比条栅形湿度传感器输出电容值较大，灵敏度较高( 在2 5 时，格栅形的湿度传感器灵敏度为0 8 8 2p f r h ，而条栅形的湿度传感器灵敏度为o 6 5p f r h ) ；可溶性聚酰亚胺胶比不可溶性聚酰亚胺胶更致密、更坚固，用其制作的湿度传感器的性能较好，响应时间较短( 可溶性聚酰亚胺湿度传感器和不可溶性聚酰亚胺湿度传感器均在相对湿度为1 2 r h 6 0 r h 间进行阶跃变化时，响应时间分别为8 8 0m s ，3s ) ，但也同时导致了工艺流程中刻蚀比较困难的问题；不论哪种机构和材料，湿滞普遍较小，说明本文所探索的工艺参数较为适当。关键词：聚酰亚胺；湿度传感器；响应时间；c m o s 工艺a b s t r a c th u m i d i t ys e n s o ri sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d si n c l u d i n gm e t e o r o l o g y , i n d u s t r y ,a g r i c u l t u r e ，m e d i c i n e ，a n di no u re v e r y d a yl i f e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ti nt e c h n o l o g y , t h eh u m i d i t ys e n s o ri sc h a n g e df r o ms i m p l et os m a r t e ra n dm o r ei n t e g r a t e d ，t h eh u m i d i t ys e n s o r sw h i c hf a b r i c a t e db yi ct e c h n o l o g ys h o wm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e ra c c u r a c ya n dh i g h e rr e l i a b i l i t y t h ep a p e rs t u d i e dc a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o rw h i c hb a s e do nt w od i f f e r e n te l e c t r o d es t r u c t u r e s ( t h es t r a pt y p ea n dt h eg r i dt y p e )a n dt w od i f f e r e n th u m i d i t y s e n s i t i v el a y e r s ( t h ei n s o l u b l ep o l y i m i d ea n dt h es o l u b l ep o l y i m i d e ) t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h e o r yr e s e a r c h i n g , m a n u f a c t u r i n g , t e s t i n ga n da n a l y z i n go n t od i f f e r e n tc a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o r s w ea n a l y s e sv a r i o u sp a r a m e t e r sh a v ei n f l u e n c eo nd e v i c ep e r f o r m a n c ef r o mt h ec h a n g e so ft h ec o n c e n t r a t i o no fw a t e rm o l e c u l e si nt h es t a t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s ep r o c e s s t h i sp a p e rc a r r i e so u tm a n u f a c t u r i n g ，p r e s s u r ew e l d i n ga n dp a c k a g eo n t ot h ec a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o r s ，a n do b t a i n e dag r e a td e a lo fd a t a ，a n a l y z e dt h ed i f f e r e n tf r o mt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h es e n s i t i v i t y , r e s p o n s et i m e ，t h e nd i dac o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h ed e v i c e sw e r ei nt h es a m es i z e ，t h es m a l l e rt h em i n i m u ml i n ew i d t ho ft h eu p p e re l e c t r o d e ，t h es h o r t e rr e s p o n s et i m eo ft h eh u m i d i t ys e n s o r sa r e w h e nw eu s et h es a m ek i n do fm a t e r i a l sa st h eh u m i d i t y s e n s i t i v el a y e r ,t h eo u t p u tc a p a c i t a n c e so ft h eh u m i d i t ys e n s o r sw i t ht h eg r i dt y p ee l e c t r o d ew e r el a r g e rt h a nt h es t r a pt y p eh u m i d i t ys e n s o r s ，a n dh a v eh i g h e rs e n s i t i v i t y , t h es e n s i t i v i t yo fh u m i d i t ys e n s o rw h i c hb a s e do ng r i dt y p ee l e c t r o d ew a s0 8 8 2p f r h ，i n s t e a d ，t h es e n s i t i v i t yo fh u m i d i t ys e n s o rw h i c hb a s e do ns t r a pt y p ee l e c t r o d ew a s0 6 5p f r h s o l u b l ep o l y i m i d ei sm o r ec o m p a c t ，m o r es o l i dt h a nt h ei n s o l u b l ep o l y i m i d e ，b u ti tw a sd i f f i c u l tt oe t c h s o l u b l ep o l y i m i d eh u m i d i t ys e n s o r sh a v ef a s t e rr e s p o n s et i m et h a ni n s o l u b l ep o l y i m i d eh u m i d i t ys e n s o r , t h er e s p o n s et i m eo fs o l u b l ep o l y i m i d eh u m i d i t ys e n s o r sw a s8 8 0m s ，b u tt h er e s p o n s et i m eo fi n s o l u b l ep o l y i m i d e兰州大学硕士学位论文h u m i d i t ys e n s o r sw a s3s r e g a r d l e s so fw h a tk i n do fs t r u c t u r ea n dm a t e r i a l sw eu s e ，t h eh u m i d i t yh y s t e r e s i sw a sg e n e r a l l ys m a l l ，w h i c hs h o w st h a tt h ep a r a m e t e r sw es e l e c ti sr e a s o n a b l e k e yw o r d ：c m o sp r o c e s s ；p o l y i m i d e ；h u m i d i t ys e n s o r ；r e s p o n s et i m e原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者虢牡日期：泓关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名：导师签名：毖日期：出2兰州人学硕上学位论文1 1 工作背景1 1 1 传感器概述1引言传感器是一种可以将化学量或物理量转变成便于测量的电信号的器件。人们在生活生产以及研究自然规律的时候，必须是要对外界环境有所感知，并且获取信号，但是光靠人的感觉器官是远远不够的。随着信息时代的到来，人们进入高科技领域，这使得人们对各种信号的获取更迫切，所以首先要保证获得的信号的准确性和可靠性，而传感器正是获取环境中信息的主要手段和途径。在现代化生产和自动化生产中，为了使设备能够正常工作，或以最好的状态工作以获得最佳质量的产品，这就需要传感器来控制和监测生产中的各个参数。在医疗及航天航空领域，传感器也是有很大的用途。许多科学研究上有障碍主要是由于很难获得所需要的信息，所以高灵敏度及高性能的传感器的发明使得这些领域有了突破性的进步。传感器又称为电五官，因为传感器的功能可以与人的五大器官相媲美，可以认为是人类五大器官的延伸。传感器的出现使得现代科学技术有了新的突破，进入了新的领域，在宏观上可以大到上千光年的大宇宙，在微观上可以t j , n3 1 0c m 的粒子世界，从时间上可以观察到短n l o 2 4s 的瞬间反应，长达数十万年的天体演化。可以毫不夸张地说，现代化生产如果脱离了高性能、高稳定性的传感器，就会滞留不前，也就不会有现在的发展，更会迷失方向。到目前为止，传感器早已在各个领域都有广泛的应用，例如工业生产、海洋探测、宇宙开发、资源调查、环境保护、健康管理、文物保护、生物工程等。毫不夸张的说，从一个复杂工程项目，到浩瀚的海洋甚至到茫茫太空，都离不开各式各样的传感器。传感器测试信号时，可以不接触测试对象，也可以接触，可以用不同工作机理和物理效应的材料来制作不同功能的传感器。传感器按照其用途的不同可分类为：压力传感器、湿敏传感器、振动传感器、气敏传感器、热敏传感器、磁敏传感器、速度传感器、射线辐射传感器、位置传感器、生物传感器、1兰州大学硕士学位论文液面传感器、加速度传感器、能耗传感器、真空度传感器等。但是到目前为止湿度传感器的设计、生产以及应用相对于其它传感器还是较为落后，原因有很多方面：一是很难找到最理想的湿度传感器的感湿材料，例如聚酰亚胺性能稳定、响应时间短、抗辐射性强，但是正是由于这些性能，使得在工艺中出现很多问题，比如说难刻蚀；二是因为湿度传感器在工作时很多时候都需要将其直接暴露于空气中，由于工作环境的相对恶劣，器件会受到环境中尘埃及其他有害物质的污染，同时还会受到环境中温度的影响。所以，综合各方面的因素，湿度传感器的长期稳定性和精确度会受到很大的影响，从而使得传感器的大批量生产和使用受到抑制。1 1 2 湿度的定义湿度通常是指大气中水汽的含量。人们的生活和工农业生产，以及动植物的生长和生存方面，都与周围的环境湿度有着密切的关系。近年来，卡特里娜飓风、厄尔尼诺现象等恶劣气候频繁出现，对全球人们生活和生产各个方面都造成了很大的影响，人们对环境的关注程度与目俱增。环境中湿度作为气象信息的一部分越来越受到人们的关注。人们在生活生产中，做不同的活动，会对所在的环境中的湿度有一定的要求。在工农业生产( 特别是电子、纺织、食品等) 、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制，有些场合还需要对湿度进行报警和控制，比如空气调节系统、仓库监测系统、温室控制系统等，对控制的需要更促进了人们研究湿度传感器的热情。但在常规的环境参数中，相对湿度是最难精确测量的一个参量。由于湿度与人们的生活密切相关，为了对湿度更准确的测量和控制，我们首先要了解湿度的定义和计算方法。在气象学和物理学中，湿度的表示方法有很多种，例如相对湿度、绝对湿度、露点湿度、水蒸气压力、质量混合比、湿气的摩尔比、饱和水蒸气压、湿气的摩尔分数、重量比、湿气的摩尔含量等。其中人们更普遍使用的是相对湿度、绝对湿度、露点湿度。1 、相对湿度相对湿度是指在相同压力和温度条件下，待测环境中水分子的摩尔量与饱和2兰州大学硕士学位论文水分子的摩尔量的比，也就是被测环境中水蒸气的分压与相同条件下饱和水蒸气压的比值。定义式为p5 ( - - 晏- ) , x1 0 0 r h( 1 1 )其中p 矽为该温度下水蒸汽的饱和水汽压，p 提待测空气的水汽分压，通常用r h表示相对湿度【3 1 。2 、绝对湿度绝对湿度一般表示为单位体积空气里含的水汽的量，又称为水汽浓度或水汽密度。定义式为：p ；笪( 1 2 )y其中m 。为水汽质量，哟空气的总体积，p 为测量的空气的绝对湿度，单位是m g m 3 或咖3 。3 、露( 霜) 点温度根据水的饱和水汽压表，随着环境中空气温度的下降，水的饱和水汽压会逐渐减小。所以，当环境温度下降时，空气中的水汽压会变小，且逐渐接近于水在低温时的饱和汽压，当温度下降到某一临界值时两个水汽压相等，空气中的水蒸汽会液化，这时的临界温度叫露点温度。假如这个临界温度低于0 度，水汽会慢慢凝结成霜，这时的临界温度称为霜点温度。临界温度单位为。根据水的饱和气压表，通过测量露点温度可以查出环境中水蒸气的含量。1 1 3 湿度的测量对湿度的测量，先后出现了很多，并且一步一步在改进，传统的湿度测量方法有三种：毛发湿度计、干湿球湿度计、露点湿度计。最早出现的是毛发湿度计，早在很久以前，人们就发现青蛙皮、毛发丝都会随着环境中湿度的变化而表现出不同程度的伸缩，毛发湿度计就是利用的是脱脂毛发尺度随湿度变化而伸缩的特性制成的。这种湿度计有很大的弊端，他只能在低温下使用，并且灵敏度较差，湿滞较大。3兰州大学硕士学位论文然后出现的是干湿球湿度计，利用的是水分蒸发需要向外界吸收潜热的效应。主要原理是根据干球和湿球温度计的温度差来测量环境中湿度。环境中湿度越大，湿球上水分子蒸发的很慢，温度降得很少，导致干湿球温差小，反之，当环境中湿度较小时，湿球上水分子蒸发较快，湿球上温度降得较多，导致干湿球温差大。而干湿球的温差还与很多因素有关，例如气压、湿球的大小、通风速度等。所以计算湿度时，应把这些因素也考虑在内。干湿球湿度计的维护比较简单，只需定期更换湿球的纱布和定期给湿球加水就可以了，他不会老化，高温时不会有影响，灵敏度也不会下降，所以该湿度计更适用于环境恶劣的情况下。但是其缺点也很多，比如响应时间长、体积大等，并且用干湿球温度差测量湿度的公式是有条件的，湿球附近的风速需要达到2 5m s 以上，而一般使用时都将其简化了，所以准确性不好( 一般在5 7 r h ) 。露点湿度计是根据水蒸气随着周围温度的变化会液化成液相，这个温度就是露点临界温度，而露点计能直接测出露点温度，方法是在一个镜面处使空气降温，直到镜面上出现水滴的时候，测出此时的温度，这就是露点，他作为一个重要的参数在很多时候都有广泛应用。根据测量温度可以得出环境中水分子量。由于科学技术的发展，使得露点湿度计的精度有很大的提高，在各个领域仍有广泛应用。露点的测试一般是通过制冷发，使水蒸气冷凝后，测量露点的温度而得，冷凝法一般有电阻法、光电法、核子法等，这三种中光电法最为普遍。光电法是将光束射在镜面上，有一个光传感器接受反射的光，通过冷凝使得反射过来的光量发生变化。露点计可以用来测量露点温度，从而得出环境中的相对湿度，也可以用来电子冷却。露点法有很多优点，例如测量范围广、准确度高( 精密露点仪能达到o 2 ) ，缺点有很多，比如制冷和测量露点的结构复杂并且价格昂贵；镜面的温度也是需要控制，镜面的光洁度也有很高的要求；露滴的灵敏度要很高；为了使器件不受到杂质的污染，也需要是空气管道保持清洁。之后是美国科学家研制电子式湿度传感器，这种传感器的工作原理是根据湿度的变化，电解质的电阻会跟着变化。然后出现了半导体陶瓷湿度传感器。近年来，国内外的湿度传感器在研发领域都取得了很大的进步，湿度传感器正在从简单的湿敏元件向智能化、集成化、多参数检测方向发展。随着科技的发4兰州大学硕上学位论文展，越来越迫切的需要把湿度传感器的制作与c m o s 工艺相结合，以实现更好的性能，既降低成本，又能使其更微型化，更智能化。1 2 湿度传感器的概述湿度传感器根据其使用的感湿材料的不同可以大致三种：陶瓷湿度传感器、高分子聚合物湿度传感器、多孔硅湿度传感器。1 2 1 陶瓷湿度传感器陶瓷湿度传感器是将吸附在粒子表面的水分子作为导电粒子，质子的传导性会随着吸湿量的变化而变化。陶瓷材料通常具有良好的机械耐久性，但是需要加热清洁以恢复期敏感特性。陶瓷表面由于油烟、尘土、酸碱化学物质造成的污染会导致传感器的响应不可逆吲。按照感湿机理，陶瓷湿度传感器可以分为四种：离子式、电容式、电子式、固体一电解质型。图1 1 陶瓷湿度传感器示意副7 l图1 1 为一个陶瓷传感器示意图，它是通过物理和化学吸附来实现水分子的5兰州大学硕士学位论文感应。湿度传感器周围的加热电极每次使用前后都要将感应部分加热至4 5 0 1 2 ，目的是使传感器复位和消除陶瓷材料电阻漂移，还可以去除油蒸汽及其他的有机蒸汽的污染。陶瓷传感器在低湿的情况下灵敏度较高，但是它还存在很多的缺点，例如由于其材料的固有电阻很大，不利于精确测量；容易受有害气体的污染而影响湿敏元件的稳定性；陶瓷器件不易集成化；高温时性能不稳定，所以还要考虑温度对其的影响；响应时间( 特别是脱湿时间) 一般较长，约为1 0 0s 。1 2 2 高分子聚合物湿度传感器r 电学量变化型兰三三二主：三二高分子湿度传感器胀缩变化型结露传感器l 质量变化型丁石英振子式湿度传感器ls a w 湿度传感器电学量变化型是一种已经实用化的高分子湿度传感器，按照电信号变化形式可以分为两种：电容式和电阻式。其中电容式实用化程度比较高，性能稳定，工艺成熟，适合成批量生产。胀缩型湿度传感器主要用于精密仪器、录像机磁头等自动保护。质量变化型主要是利用晶振的质量随着湿度变化而变化，从而导致频率输出发生变化的原理。6兰州大学硕士学位论文1 、高分子电阻式湿度传感器高分子电阻式湿度传感器的湿敏材料一般用的是具有强极性基的高分子电解质( 例如含有一n h 4 + c i 。、n h 2 、s 0 3 。h + ) 及其盐类的高分子【3 1 。利用高分子电解质的电阻随着湿度变化而变化的规律，可以测定环境中的湿度。这种传感器具有很多优点：线性好、灵敏度高、响应时间短、制作工艺简单、易于小型化、使用方便。但是也存在一些缺点：在低湿和高湿的条件下，电阻量随着湿度的变化不明显，这就导致在低湿和高湿的情况下不能测量湿度；不耐污染，寿命短。2 、高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器的感湿材料最初选用的是醋酸纤维素和其衍生物，但是存在很多缺点。现在人们使用的感湿材料是聚砜、聚乙炔苯、聚酰亚胺、等离子聚合物、硅树脂、m w a 和h e m a 的交联共聚物等。用聚酰亚胺作为介质层制作湿度传感器的工艺与c m o s 工艺兼容，其性能稳定、耐酸耐碱、抗腐蚀，并且具有良好的耐久性，因此是常用的高分子电介质材料。高分子电容式湿度传感器的感湿材料随着周围环境中的湿度的变化成比例的吸收和释放水分子，其感湿材料本身具有较小的介电常数( 2f m 7f m ) ，但是水分子偶极矩的很大的提高了聚合物的介电常数( 8 0f m ) ，这样吸附上水分子的介质层的介电常数就会有很大的提高。这类传感器的电容值随相对湿度的变化就反应了器件的感湿机能。该类传感器具有很多的优点：线性度好、灵敏度高、测湿范围广、响应时间短、稳定性好、易于小型化、湿滞小。3 、高分子声表面型( s a w ) 湿度传感器s a w 型湿度传感器感湿机理是：随着湿度的变化，器件中的两个换能器中间的感湿介质层的单位表面电荷质量会发生变化，从而导致振荡频率和波速发生变化，由此可以测定环境中的湿度。由于这种传感器具有体积小、可靠性高、一致性好等优点，也深受生产者的喜爱。1 2 3 多孑l 硅湿度传感器多孔硅有多孔的结构和很大的比表面积，其电容值会随着湿度的变化而变7兰州人学硕士学位论文化，经实验证实这种材料也可以作为湿度传感器的湿敏材料。在有湿度的情况下，多孔介质会对水分子有吸附作用( 物理吸附和化学吸附) 。但是这种传感器在低湿的情况下灵敏度很低，并且线性度不好。1 3 本论文的主要工作容：本文设计并制作了新型的聚酰亚胺电容型湿度传感器，主要工作有如下内第一章主要描述了湿度传感器的制作背景，简要介绍了湿度传感器的类别及应用，回顾了国内外的研制进展及本次工作的工作背景。第二章详细介绍了湿度传感器的一般结构和工作原理，且简要说明了本文中湿度传感器的基本结构设计。第三章主要通过对湿度传感器的数值模拟，分析出线条宽度及感湿层材料等因素对器件性能的影响，以此为依据对以往的栅条状上电极结构进行了改进，研究出两种更合理的湿度传感器上电极图形( 条栅形和格栅形) 。第四章对比传统的湿度传感器的制备工艺，研究出了更合理的工艺流程，详细介绍了不可溶性湿度传感器的工艺流程，对两种不同的上电极结构和两种不同的感湿介质层湿度传感器的工艺流程进行了对比分析。第五章描述了湿度传感器的测试结果和性能对比分析，给出了不同的感湿介质层和不同的上电极图形等各种因素对器件性能造成的影响。8! 州人学研学论i2c m o s 工艺电容型湿度传感器的工作原理及结构设计2 1c m o s 工艺电容型湿度传感器的结构电容型湿度传感器主要是利用感湿介质层吸收水分子后介电常数发生变化，从而使器件的电容发生相应的变化，由于此类传感器工艺简单、性能稳定、响应时间短、小容易收到外界噪声或大气污染的影响等优点，目前越来越受到研究人员的关注。电容型湿度传感嚣按照结构的不同可以分为两种：1 、叉指型电容湿度传感器：围21 与图22 为叉指型电容湿度传感器的结构示意图，交叉指状的金属条构成了电容器的两个电极，金属条之问的空隙都暴露在空气中。由于空气的介电常数随大气中相对湿度的变化而变化，所以器件的电容值将随之变化。这种传感器的优点是响应速度较快、稳定性好，缺点是湿滞较大、容易受寄生效应的影响、工艺复杂。叉指型湿度传感器的工艺为：( 1 ) 在硅衬底上生长一层氧化层；( 2 ) 溅射金属层；( 3 ) 光刘、腐蚀图形，形成x 指结构的电极；( 4 ) 涂覆感涅材料。在制作工艺方面，叉指型湿度传感器比三明治型湿度传感器的优势在于叮以加大叉指电极的问距可以避免电击穿。图21 义指结构湿度传感器示意图叉指型湿度传感器的工作原理为：随着环境中湿度的变化叉指电容值会相! 州大学学位论文应的姚根胁r w c n 电容模型c 一鲁出2 可以算出叉指蚺其中为叉指屯极间距，n 为叉指电极总数，z 为叉指电极长度，e 为复合物( 感湿层吸收永分后的混合物) 的介电常数， 咿为叉指电极厚度。f 义指电极图2 2 义指型湿度传感器俯视图2 、三明治型电容湿度传感器：如圈23 为三明治型电容湿度传感器的结构示意图，采用这种结构制作传感器，在工艺上较容易把介质层厚度做的比较薄，即其上、下电极的距离较短，从而使器件的灵敏度有很大的提高。这类传感器优点在于理论模型简单、与c m o s 工艺兼容，工艺简单，但缺点是响应时间较长，高湿高温的情况下性能不太稳定。具体的t 作原理在下一节将做详细的描述。m e t a l圈2 3 三明 胄型湿度传感器结构示意图兰州大学硕士学位论文2 2c m o s 工艺电容型湿度传感器的工作原理湿度传感器是基于其感湿材料能够随着湿度的变化而发生物理和化学反应而制作的。他可以将湿度有关的物理量转换成长度或体积的胀缩、电阻、电容、或者是m o s 器件的一些电参数的变化来实现。湿度传感器根据器件的不同工作原理可以分为以下几种：1 、伸缩式：其工作原理是随着环境中湿度的变化，脱脂毛发的线性尺寸也会有相应的变化。2 、蒸发式：( 干湿球湿度传感器) ，工作原理是随着湿度的变化，干球和湿球温度计的温度差有相应的变化。以上两种传感器的主要缺点是分辨率和灵敏度都较低。3 、露点计：其工作原理是先利用冷却的方法使得环境中水蒸气达到饱和而结露，根据其露点的温度来测量环境中的相对湿度。4 、电子式：包括电解式、电阻式和电容式。电解质湿度传感器存在很多缺点，如可重复性差，测量范围窄，使用寿命短等缺点；电阻式湿度传感器的工作原理是随着湿度的变化，湿敏材料吸水后电阻率会发生相应的变化，但缺点是工作温度环境范围较窄；电容式湿度传感器的工作原理是随着湿度的变化，湿敏材料在吸水后介电常数会发生相应的变化，从而导致电容发生变化，它比电阻型湿度计有着很多优势，例如功耗低，灵敏度高等。5 、电磁式：包括二极管式、表面声波式、晶振式和微波式，工作原理是利用某些物质吸水后，二极管的整流特性，微波的传播速度，晶振振荡频率等发生变化来测定环境中的相对湿度。2 3 感湿介质层的选择2 3 1 多孔硅、多子l 铝为感湿介质多孔硅可以作为感湿材料是因为多孔硅能够吸收环境中的水汽分子，从而可以改变其介电常数，导致电容的变化。此类传感器一般是由硅衬底、上电极和多兰州大学硕士学位论文孔硅组成的一个平行板电容器，上电极多为金属层，需要能使水分子进出于多孔氧化物，其厚度应该不超过5 0 0a 。用其做成的湿敏元件的性能主要取决于小孔孔径、电容极板间的间距以及多孔硅的厚度。多孔硅的小孔孔径很小，一般为1 2 1 5n m ，所以具有很好的性能，例如能吸收很多的水分子、有很大的比表面积、响应时间短、灵敏度高、湿滞小等。但是在低湿和高湿区，此类传感器都存在着弊端，例如在低湿区，在小孔中的水分子主要以单分子形式吸附，导致电容较小，灵敏度受到影响；而在高湿区，水分子会发生毛细管凝聚的现象，使得线性度受到影响。此外，这类传感器还存在很多缺点，易受环境中杂质的污染，需要在器件中加入内置电路进行处理；多孔硅的制备是对硅的电解得到，小孔孔径的大小较随机，且一致性差，不适于批量生产。多孔三氧化二铝也可以作为感湿介质，一般是将铝放置在浓度为1 7 的硫酸溶液中，通过电解阳极氧化制得，优点为成本低、结构简单、容易制备，缺点是寿命短、湿滞大、感湿机理复杂。2 3 2 空气为感湿介质以空气作为感湿介质的湿度传感器通常采用叉指型结构，电极材料采用铝，金属层暴露于空气中，工作原理是感湿材料吸附或释放空气中的水汽分子，从而使得器件的介电常数变化，导致器件电容值发生变化。此类湿度传感器工艺简单，成本较低、一致性好，但是也存在很多的缺点，例如湿滞较大，主要是因为表面的平整度不好；在低湿的情况下，空气的介电常数变化较小，灵敏度较低；在高湿的情况下，由于表面吸附的影响，使得电容值发生陡变，线性度不好；由于金属层是暴露于空气中，长期使用的话，会生成一层氧化膜，影响器件的性能。2 3 3 聚酰亚胺为感湿介质聚酰亚胺是一种环链聚合物，在其分子主链上有酰亚胺环状结构。其介电常数很小，约为2 9f m 左右，电阻在2 5 时约为1 0 1 7 1 0 1 80 c m ，在2 0 0 时约为1 0 1 40 c m 。在c m o s 工艺发展以前，聚酰亚胺的主要用途为涂料、粘合剂、薄膜、纤维等。聚酰亚胺之所以越来越受到人们的关注主要是因为他有很多优异1 2兰州大学硕士学位论文的性能：1 、加工形态的多样性：聚酰亚胺可以以多种形态应用于很多的领域，他可以做纤维、固化膜、粉体、模压件等形态应用于层压板、涂料、粘合剂、树脂基复合物等方面。2 、综合性能优良：在很大的温度范围内( - 2 0 0 _ 2 6 0 之间) 都能够保持稳定的化学性能、物理性能及介电性能，可以在这个温度范围内长期使用，还具有耐高温、耐磨、良好的尺寸稳定性、耐辐射等优点。3 、易于改性：由于聚酰亚胺存在官能团结构，这种特有的结构可使得聚酰亚胺有很多特有的功能。4 、合成上的多样性：可以根据工艺需要对其进行化学设计和分子设计。可溶型聚酰亚胺的出现即保持了聚酰亚胺固有的热稳定性，同时也提高了聚酰亚胺的溶解性。它是在聚合物分子链中引入一o 一，一c h 2 _ ，- c o 一等柔性官能团以提高整个分子链的柔顺性，从而提高聚酰亚胺的溶解性。研究表明，单靠用柔性单体提高分子链柔顺性来制备可溶型聚酰亚胺是不够的，破坏分子链结构的规整性以减少聚酰亚胺结晶倾向也是至关重要的，只有把提高分子链的柔顺性和破坏分子链的规整性相结合，并且两个因素作用达到一定程度时才可得到可溶性聚酰亚胺。改变分子链的重复规整度和对称性的方法有两种：( 1 ) 采用共缩聚的方法；( 2 ) 在分子链中引入体积较大的非对称结构，扭曲的非平面结构或芯形分子，或某种具有特殊相互作用的键，如离子键、氢键等，也可在侧链上引入较大基团。可溶型聚酰亚胺的制备可以由二胺与二酐在高沸点溶剂中加热缩聚合成。总之，可溶型聚酰亚胺材料的出现，大大改善了产品的可加工性，使之可用常规生产方法合成，提高了生产效率。聚酰亚胺有四种合成方法：一步合成法、二步合成法、三步合成法、气相法。气相合成法主要用来制备聚酰亚胺薄膜，该制备方法是由二酸酐与二胺在高温下以气流的形式送入混炼机内直接制成薄膜；三步法的优点是在合成过程中没有低分子物的产生，使得制品不会产生气泡，所以越来越受到人们的关注；一步法是单体不是由聚酰胺酸亚胺化成聚酰亚胺，而是在高沸点溶剂中由二胺和二酐聚合成聚酰亚胺。通常在高温高压的条件下，使用异氰酸酯代替二胺与生成的聚酰胺1 3兰州大学硕士学位论文酸聚合，或采用带水剂进行共沸，这样可以完全脱去水份，目的是为了提高聚合物的分子量；二步法，具体生成方法有聚酰胺酸硅烷基酯法、聚酰胺酸烷基酯法等。该方法是现有二酐和二酸反应生成聚酰胺酸，之后再亚胺化成聚酰亚胺，用这种办法制备主要是要保证聚酰胺酸的稳定性。由于聚酰亚胺存在很多其他的材料无法比拟的优点，所以越来越广泛地应用在航天、原子能、精密及重大机电产品、航空、膜分离技术、液晶显示等高科技领域。正是由于这种材料耐高温、抗辐射性强等优点，他在微电子工业级超大规模集成电路中越来越受到人们的广泛使用。虽然聚酰亚胺现在在各个领域应用广泛，但是正是由于其分子的特有性能，使得在工艺上有很多的困难：( 1 ) 加工困难，配制时，只能聚酰胺酸酪或聚酰胺酸等形式，生产的工艺比较复杂，而且固化的时候，很容易出现微型水分子或醇分子，稍微控制不好就会出现“针孔 ，导致器件的性能受影响：( 2 ) 亚胺化温度偏高，一般标准的聚酰亚胺的亚胺化温度在3 0 0 码5 0 ，使得工艺较复杂；( 3 ) 吸湿率偏高，聚酰亚胺的吸湿率根据环境中的湿度最大可达到质量百分比为3 5 ，严重影响了聚酰亚胺的感湿特性，从而影响器件性能。2 4 聚酰亚胺的感湿机理大多数的高分子材料都有不同程度的吸湿脱湿性能，尤其是该高分子材料中带有极性官能团。极性官能团吸附水的能力不同，材料就会表现出不同脱湿、吸湿性能，这种吸湿脱湿性能的大小主要取决于高分子材料中极性官能团的多少和种类以及环境中水汽的含量。聚酰亚胺的主要感湿成分为其原体聚酰胺酸中没有亚胺化的羧基( 一c o o h ) ，而聚酰亚胺中剩余的羧基数量随着亚胺化温度和时间的不同( 即聚酰亚胺的亚胺化程度不同) 而不同，由此会表现出不同的灵敏度。当加热温度高时，由于亚胺化程度较大，使得聚酰亚胺中存在的羧基较少，当环境湿度变化时，器件的电容值变化很小，使得灵敏度降低。而加热温度低时，由于亚胺化程度低，导致羧基吸水较多，从而表现出较大的电容值，使灵敏度提高。聚酰亚胺涂敷在二氧化硅表面后形成带负电的薄膜，当环境中水汽浓度变化1 4兰州大学硕上学位论文时，聚酰亚胺膜吸附水分子量就会随之变化。水分子是一种极性电介质，他可以相互吸引形成氢键，最终凝聚成液体，这样就很容易被感湿材料所吸附。聚酰亚胺自身的介电常数很小只有2 9 3f m ，当湿度变化很大由0 r h 变化到1 0 0 r h时，聚酰亚胺变化量较小约为2 9f m 变化到3 7f m 。而水的介电常数很大( 基本上是t = 5 时介电常数为7 8 3 6f m ，t = 2 0 1 2 时介电常数为7 9 6 3f m ) ，当聚酰亚胺吸收水分子后，引入了强极性分子，在有外电场作用的情况下，容易发生极化，导致感湿膜的偶极矩增加。在外电场不变的情况下，湿度越大，水分子形成的偶极矩分子越多，感湿膜吸附水分子就增加，导致其内偶极矩增加，宏观上表现出介电常数的增大。利用这一特性，把传感器制作成平行板电容器的结构，可以通过对电容的测量来计算环境中的相对湿度。湿度传感器的电容可以根据平行板电容器电容公式来计算：c t 等= 华( 2 1 )dd、7其中e 为聚酰亚胺吸水后的介电常数( 相对湿度在0 1 0 0 范围内变化时，e 的变化范围为2 9 3f m 3 7f m ) ，d 为两极板之间的间距( 由感湿层厚度决定) ，内为真空介电常数，n 为栅条个数，彳为有效的感湿面积( 即金属上电极所覆盖的面积) ，渺和分别为栅条的长和宽。根据l o o y e n g a 半经验关系式【4 1 ，聚酰皿胺吸水后，复合体系的介电常数e由水和聚酰亚胺的介电常数吃和e l 决定：g 皇【) ，( s ! 乃一1 1 佑) + ；肥】3( 2 2 )其中水的介电常数由以下公式计算可得，它是与温度t 有关的物理量【2 1 ，：6 2 = 7 8 5 4 1 4 6 x 1 0 - 4 ( t 一2 嘞+ 8 8 x 1 0 - 6 ( t - 2 9 s ) 2 ( 2 3 )聚酰亚胺的介电常数e 1 = 2 9 3f m ，) ，是复合体系中的水的体积百分比( 水的百分比与环境中相对湿度r h 有关) ，可根据d u b i n i n 公式估算出剁2 】：) ，= 圪唧【( r r 】n x e 广一口口- t o ) ( 2 4 )其中d 是温度为t 时聚酰亚胺( 介质层) 所能吸附水份的最大体积百分比，工为相对湿度，r 是普适气体常数，e 是吸附一个水分子所需要的能量，n 由实验误差决定，a 为有限吸附的热系数，t o = 3 0 0k 。兰州大学硕士学位论文将式( 4 ) 代入式( 2 ) 可得：；砩蚓胁何卅t _ 驯 一帕+ r 尹( 2 5 )由上式可以计算在不同的湿度范围内，混合体系的介电常数，从而可以得到湿敏传感器的电容值。2 5 湿度传感器的感湿特征参数湿度传感器的主要特性参数包括湿度量程、湿滞、灵敏度、响应时间、线性度等，下面将做逐一介绍。2 5 1 湿度量程湿度传感器的湿度量程是表示元件的使用范围的特性参数，定义为湿度传感器能精确测量的湿度的最大范围。当然，不同的湿度传感器有着不同的湿度量程，他会受到各种因素的影响而变化，例如湿敏材料的不同、制备工艺的不同等。湿度量程越大，说明该湿度传感器的使用价值越大，最佳的量程为o 1 0 0 r h 。2 5 2 湿滞湿滞在国标g b t 4 4 7 5 9 5 中的定义为湿度传感器升湿和降湿时，在同一外界湿度的情况下电容不一致的现象。单位为r h ，计算公式为日；一a c 。q - q( 2 6 )ss其中s 为器件的灵敏度，c 为某一湿度所对应的电容最大差值。2 5 3 灵敏度灵敏度是指湿度传感器的电容量随着湿度变化的变化程度。- - i 以用感湿特性曲线的斜率来表示，单位为p f | r h ，计算公式为：s = 丽c , - c , ，其中白为温度为仉时的电容值，c 2 为温度为u z 时的电容值。1 6兰州大学硕学位论文254 响应时间响应时间是指在所对应的环境湿度范围内，湿敏元件完成吸湿和脱湿所用的时日j 。计算公式为：a c = a c ( 1 一e “) ，其中c 为湿度变化r h 时，器件的电容变化量g 为在t 时刻的电容改变量。当f = f 时，a g - 0 6 3 2 a c ，我们可以将r 作为响应时间的量度，即电容量改变0 6 3 2 c 所需要的时间就为器件6 3 的改变量所需要的响应时间。我们通常计算的除了6 3 对应的响应时间，还有9 0 的响应时问。2 55 线性度线性度是用湿度传感嚣的电容值随着湿度的变化曲线来衡量的，线性度好的传感器说明其准确性好。综卜所述：一个良好的湿度传感嚣麻该具有以f 的性能，1 、感湿曲线的线性度好，灵敏度高，2 、响应时间短，3 、湿滞小，4 、长期稳定性好，5 、使用温度范围广，并且能在恶劣的环境中使用。2 6 电容型湿度传感器的设计瞥鬻本文巾设计的电容型湿度传感器( 如图2 4 ) 采用的是三明治结构，上、下电极均采用钼铝金属层上电极制作为条栅形结构和格栅形结构( 在第二章将兰州大学硕士学位论文做详细介绍) ，两极板之间采用的高分子材料聚酰亚胺作为感湿介质层，上、下电极构成标准的平行板电容器结构。1 8兰m 大学颂1 学位论文3 电容型湿度传感器的结构优化31 对湿度传感器的模拟分析本文的模拟分析主要是针对间距和线宽相等的结构，以此来判断出湿度传感器的稳态特性及水分子的吸附脱附的动态响应过程，这样分析可以正确的指引我们设计性能更好的湿度传感器，对其余结构的器件也有很好的借鉴作用。利用数值模拟的方法，针对啊= 2f i n 、5 岬、2 0 m 的三种结构参数，如图31 为湿度传感器的结构示意图，对其进行了模拟对比。3 1 l 电势和电场分布幽31 湿度传感器的结构单元示意幽i d在下电极和上电极之间旌加一定的偏压，模拟出各区的内部电势和电场分布，以便于判断哪个区对传感器电容贡献较大；由模拟结果( 如幽3 2 ) 可看出：在纵方向上，i 区的电场强度基本上是均匀的，而i i 区的电场强度较小：在横方向上，在两区交界处电场较大，靠近上电极表面的地方电场更犬。因为器件的左右两边也是对称边界，电势都接近于0 v ，由于边缘电场集中效应负电荷易在靠近e 电极的边界集中，所以此处电场就会剧烈变化。由图33 可知尽管内部电场向i i 区在横方向上有一定的延伸，但是这种延伸报小只占了i i 区的小部分。这说明i i 区的面积对湿度传感器的电夺贡献较小，器件电容主要取决于i 区面积。兰州人学硕h 学位镕文幽3 2 结构单元内的电势分布( 等势图)d e p t hf u m l剖3 3 结构单元对称线上的电势分布312 升湿、降温过程中各区水分子数量的动态变化l i为了判断湿度传感器的响应时问由哪个区决定，我们模拟了在升湿和降湿过程中器件各处水分子的数量变化( 用m o l m 3 表示) 。图3 4 为在升湿过程中，上电极线宽为5 “m 的器件的i 区、i i 区、及整个器件中水分子数量的变化结果表明：无论在升湿还是降湿过程中，i l 区中的水分子变化是很迅速的，因为其表面直接与外界接触；而i 区的水分子变化影响着整个器件的响应过程，但足由于一 vi ：= 8 0 4兰州大学硕士学位论文该区被金属电极层所覆盖，不利于水分子的快速扩散。t ；m e i i图3 4 升湿过程中i 区、i i 区、以及整个结构中的水分子数量变化图3 5 升湿和降湿过程中的等浓度曲线及水分子扩散方向根据升湿、降湿过程中等浓度曲线及水分子扩散方向( 如图3 5 ) 可知：( 1 )在升湿还是降湿过程中，i i 区中各处的水分子浓度近似相等；( 2 ) 在升湿过程中i i 区中的水分子浓度比l 区中的水分子浓度高，所以水分子由l l 区向i 区扩散；( 3 ) 相反，在降湿过程中，i 区中的水分子浓度比区中的水分子浓度高，水分子由l 区向i i 区扩散；可以推断出降湿持续的时间较长于升湿。3 1 3 响应时间本工作主要是对比粗细不同的上电极线条的湿度传感器的响应时间，模拟湿2 1产-、譬匕一co一苗i_cuc口o= 州大学硕l 岸位论文度在阶梯变化时，器件达到稳卷所用的时削，本模拟采用的湿度阶梯为0 9 0 、1 0 - 9 0 、3 0 - 9 0 、5 0 一9 0 下面咀2 “m 、5 岬、2 0i i n l 为例，对其进行比较分析：c a p 硼h s 呻n 铀t os l e p i n c r o fh u m i d 幽3 62 l l 【n 线宽的器件在升湿状态时水分子的数培变化c a p a c i t a n r e s p o n 拍ks t