（电路与系统专业论文）基于CMOS工艺的电容型湿度传感器研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 湿度是大气中所含水汽的多少。任何行业的工作都离不开空气，而空气的 湿度又与工作、生活、生产有直接的联系，为了获得私测量湿度值，就必须对 传感器进行研究。 传感器就是自动测量系统中一个把待测量变换成某种电信号的装置，是一 种获得信息的手段，是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器 件。传感技术是关于传感器原理、设计、制造及应用的综合技术。 湿度传感器是一类重要的传感器，在仓储、工业生产、过程控制、环境监 测、家用电器、气象等许多方面有着广泛的应用。随着科技的发展，人们熟知 的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要，工作和生活 中越来越多的方面需要应用到高性能的湿度传感器，所以对于湿度传感器的研 究是十分必要的。 由于微电子技术的飞速发展，大规模集成电路工艺技术也逐步得到完善， 集成电路器件的密集度也变得越来越高。若我们能利用标准的c m o s 工艺和一定 的后加工工艺将传感器部分、信号的处理电路等集成在同一块芯片上，从而进 行大规模集成，就可以降低成本，减小整个系统的尺寸，提高系统的可靠性， 一直来国内外对于湿度传感器的研究都是很活跃的。因此，本课题选择c m 0 s 兼 容电容型湿度传感器的研究是很有意义的。 本文的前两章首先概述了湿度传感器的研究意义，描述了湿度传感器的概 述及分类。在比较了多种类型的湿度传感器优缺点的基础上，分析咖0 s 兼容电 容型湿度传感器的优点，并把它作为了本论文研究对象。 本课题的重点在第三章和第四章中进行了研究。主要研究内容为： 1 我们研究的是采用梳状铝电极结构，聚酰亚胺作为感湿介质的电容型湿 度传感器。对于这种湿度传感器进行物理建模的过程中，已有的模型存在着仿 真结果与实验结果相差很大的问题，因此我们通过分析感湿介质的介电常数吸 附水分后变化，考虑其电场分布，对这种可与c m 0 s 工艺兼容的电容型湿度传感 器进行了理论推导，物理建模，并且对该模型进行了计算，利用眦t l a b 软件对 所建理论模型进行了仿真。仿真结果表明所建的模型比常用的l a c o n t e 模型更 基于c m o s 工岂的电容型湿度传感器研究 符合实验结果。 2 分析和研究了运算放大器的理论知识，在基于华润上华( c m s c ) o 6 u m 的工艺上对两级运算放大器进行了设计，利用c a d e n c e 公司的v i r t u o s o 工具对 其进行了模拟与仿真，得出符合设计要求的电路，主要的指标是直流增益为 7 2 d b ，相位裕度为6 2 0 等。这样的电路为后期的整体设计提供了保证。 3 由于电容型湿度传感器髓湿度的变化而改变的电容值比较小，并且在 c m 0 s 工艺上实现电容会出现一定的失配，所以选择适当的测量电路是非常关键 的。我们对不同的湿度传感器测量方法进行分析，得出最优的测量电路。同时 对测量电路的输出电压与敏感电容之间的关系进行推导，利用c a d e n c e 公司的 v i r t u o s o 工具和华润上华( c m s c ) o 6 u m 的库对其进行模拟，得出了输出电压 与相对湿度的关系图形。 论文的第五章介绍了标准c m 0 s 工艺下版图设计的一些主要要求，对s 兼容电容型湿度传感器的版图进行设计，介绍了湿度传感器后加工工艺的重要 性。第六章结束语对本课题的集成湿度传感器设计工作进行了总结，概述了本 论文的重点和缺点。由于目前国外在对于集成湿度传感器方面的研究比较深入， 制造工艺相当成熟，但是国内在这方面的研究还较少，希望本课题的工作能够 对该方面的研究起到一定的作用。 关键词：湿度传感器，电容，c 舯s ，运放，聚酰亚胺 i i a b s n c t a b s t r a c t h u m i d i 竹s e n s o r sa r ea “n do fi m p o r t a n ts e n s o r s t h e ya r ea p p l i e dt om a n y o c c a s i o n ss u c ha s s t o r a g e ，i n d u s t l ym a n u f a c t u r e ，p r o c e s s c o n t l + o ia n da i r - c o n d i t i o n e db u n d i n g se ta 1 w “ht h ed w e l o p m e n to fs c i e n c e ，p e o p l en e e d h i g h - p o w e r e dh u m i d i 竹s e n s o r s a st h eb u i ka n ds u r f h c em i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e sa r eg e t t i n gm a t u r e ，t h e i n t e g r a t e ds e n s o r sf h b r i c a t e db yi n d u s t r i a ic m o s i ct e c h n o l o g i e sh a v er e c e i v e d ag r e a ti n t e r e s t i fw ei n t e g r a t et h es e n s o re k m e n t sa n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u “s o nas i n g i ec h i pb yu s i n gc m o sf a b r i c a t i o n ，w ec a np r o c e s st h ei a r g e - s c a l e i n t e g r a t i o n ，n d u c et h ec o s t ，m i i s ht h e s i z eo “h ew h o l es y s t e ma n da d v a n c et h e n l i a b n i 何i ti sv e r ym e a n i n g t or e s e a r c hc a p a c i t i v eh u m i d i 够s e n s o r sc o m p a t i l ) l e w i t hc m o st e c h n o l o g y f i r s t w es u m m a r i z et h er e s e a r c hm e a n i go fh u m i d i t ys e n s o r sa n dt h e i r 锣p e s a f t e rc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt y p e so fh u m i d i t ys e n s o r ，w ea n a l y z et h e e x c e n e n c eo fc a p a c i t i v eh u m i d i t ) rs e n s o r sc o m p a t i b l ew i t hc m o st e c h n o l o g y s o w et r e a tt h e ma st h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e l t h em a i nr e s e a r c ha r e a so ft h ep a p e ra r e ： f i r s t t h i sc a p a c n i v eh u m i d i t ) rs e s o r sp h y s i c a lm o d e i i sb u i l t i tu s e sc o m b d e c t r o d e sa n dp o l y i m i d ea sm o i s t u r es e n s i n gm a t e n a i t h et h e o r e t i c a lm o d e lo f t h ec a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o ri sa n a l y z e d t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u i t ss h o w t h a to u rm o d e ih a sab e t t e ra g n e m e n tt oe x p e r i m e n tr e s u l t st h a nl a c o n t e s m o d e ld o e s s e c o n d ，w er 龉e a r c ht h et h e o r yo fo p 盯a t i o n a la m p u f i e r s t h e 俩o - s t a g e o p e r a t i o n 叠la m p l i f i e rb a s e do no ，6 m nc s m cl i b r a r yi sd 嚣i g n e d 。w es i m u l a t e t h i sc i r c u i tb yt h ev i r t n o s oo fc a d e n c ea n dg e tt h ea p p r o v i n gr e s u l t i t sg a i no f d i r e c tc u r r e n ti s7 2 d b ，a n di t sp h a s em a r g i ni s 6 2o - t h i r d ，a f t e rc o m p 州s o no fd i f f e r e n tm e 躺u r i n gm e a n so fh u m i d i t ys e s o r ， a no 口t i m i z e dm e a s u r i n gc i r c u i th a sb e e np u tf o r w a r d t h em e a s u r i n gc i r c u i t s a r et h e o r e t i c a l l yd e d u c e d b a s e do n0 6 u mc s m cl i b r a r yt h em e a s u r i n gc i r c u i t i ss i m u l a t e d ，t h er e s u l t sa ng o tb yt h ev i n l l o s oo fc a d e n c e i i i 墨主! 坚堕三苎塑皇鳖型塑堕堡壁堡竺塑 w ei n t r o d u c et h er u l e so fc m o sl a y o u ti nt h en f t hc h a p t e ro ft h i sp a p e r w ed e s i g nt h el a y o u ta n da n a l y z et h ep o s t p r o c e s s i n go ft h ec a p a c i t i v eh u m i d i 姆 s e n s o rc o m p a t i b i ew “hc m o s t e c h n o l o g y i tw i ug u a r a n t e eas u c c e s s i u lt a p eo u t o fh u m i d i t ys e n s o r f i n a y w em a k eas u m m a r y 柚ds h a wt h ee m p h a s e sa n dt h e s h o n a g eo f t h i sp a p e l k e y w o r d s ：h u m i d i t ys e n s o r c a p a c i t a n c e ，c m o s ，o pa m p s ，p o l y i m i d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，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，也不包含为获得孚，靛太学 或其他教育机构 的学位或证书而使用适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谢意 学位论文作者签名：王阳 签字日期：励s 年j 月拯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解步傲太浮有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被套闺和 借阗本人授潲士罾可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密昀学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：五阳 签字目期：枷雪年岁月f z 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：隅导师签名：齐淄 签字日期：灯年j 月彳日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 随着徽电子技术的飞速发展，微米纳米技术的问世，大规模集成电路工 艺技术的完善，集成电路器件的密集度越来越高。它已成功地使各种数字电路 芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片等的价格性能比大幅度 下降。 同时随着集成电路工业的快速发展，传统的经典传感器制作工艺也得到了 很大的改进。将微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术结合，利用硅作为 基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集成在一块 芯片上面，形成集成传感器系统。集成传感器系统利于降低成本，减小整个系 统的尺寸，提高系统的可靠性等方面，所以目前对于集成传感器“1 的研究已经成 为传感器研究领域的重要方向之一。 1 1 湿度传感器的研究意义 湿度是大气中所含水汽的多少。任何行业的工作都离不开空气，而空气的 湿度又与工作、生活、生产有直接的联系，所以对于湿度的监测与控制越来越 显得重要。 随着人类步入信息时代，传感器作为捕捉信息的器件也随之迅速发展，在 现代高度信息社会的科学技术发展中占据相当重要的地位。湿度传感器是一类 重要的传感器，在许多部门得到了广泛应用，并起到了重要的作用。例如：精 密电子元件制造、航天导弹、火箭的储存、粮食的防霉、高空气象探测、温度 种植等。 但是在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。人们熟知的 毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要。因为湿度的测 量会受到其他因素( 大气压强、温度) 的影响，此外，湿度的校准也是一个难 题，所以一直来国内外对于湿度传感器的研究都是很活跃的。 在国内，自6 0 年代初第一只湿度传感器。问世以来，至今已有很多家研究 单位和生产厂家，计有几十种产品。但总的看来，国内湿敏元件和湿度传感器 苎主! ! 塑三苎塑生查型堡壁! i 壁堂型塞 在研制水平方面与国际先进水平相差不多；但其宏观生产规模、应用范围和产 品商业化程度等方面，则和发达国家差距甚大。因此加速研制、开发各种可靠、 价廉、使用方便的通用湿度传感器是发展我国湿度传感器的迫切任务。 目前，湿度传感器的品种很多，就其所使用的感湿材料而言，主要有电解质 和高分子化合物材料、半导体陶瓷材料和多孔金属氧化物半导体材料等。 本论文研究的湿度传感器是电容型湿度传感器，它是利用高分子化合物材 料薄膜电容制成的湿敏电容，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发 生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一 特性即可测量湿度。 这里我们设计的电容型湿度传感器是采用梳状铝电极结构，聚酰亚胺作为 感湿介质。同时将该电容型湿度传感器与c 舯s 工艺相兼容，利用成熟的标准 c l 矗0 s 工艺和简单的后加工工艺来加工，这样有利于提高集成度，减小整个系统 的尺寸，提高性价比等。 1 2 本论文的主要工作 本文主要是对于采用梳状铝电极结构，聚酰亚胺作为感湿介质的c m o s 兼容 电容型湿度传感器进行研究，对该湿度传感器进行了理论推导、物理建模、模 型仿真，并对该湿度传感器的测量电路进行分析和仿真，同时设计了该湿度传 感器的版图和分析了其后加工工艺的重要性。 第一章概述了湿度传感器的研究意义。 第二章描述了湿度传感器的概述及分类。比较了多种类型的湿度传感器， 分析了c 哟s 兼容电容型湿度传感器的优点，并把它作为了本论文研究对象。 第三章分析了c m 0 s 兼容电容型湿度传感器的理论模型。对这种可与c m o s 工艺兼容的电容型湿度传感器进行了理论推导，物理建模，并且对该模型迸行 了计算，利用衄t l a b 软件对所建理论模型进行了仿真。 第四章对c m o s 兼容电容型湿度传感器的测量电路进行了分祈和仿真。我们 堑二里堕堡 分析了不同的湿度传感器测量方法，得出最优的测量电路，利用c a d e n c e 公司 的v i r t u o s o 工具和华润上华( c m s c ) 0 6 u m 的库对其进行模拟，得出结果。 第五章对c m o s 兼容电容型湿度传感器的版图进行了设计，介绍了后加工工 艺的重要性，为芯片流片后的测试成功提供了保证。 结束语对本课题的集成湿度传感器设计工作进行了总结，概述了本论文的 重点和缺点。 基于e m o s 下艺的琏三容型湿度传感器研究 第二章湿度传感器的概述及分类 2 1 传感器的定义 传感器是将各种非电量( 包括物理量，化学量，生物量等) 按一定规律转 换成利于处理和传输的另一种物理量( 一般为电量) 的装置。按照g o p e l 等的 说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则 是组合有某种信息处理( 模拟或数字) 能力的传感器”。传感器是传感器系统的 一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 随着信息处理技术的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要 在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得 到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元， 传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部 件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 近年来，系统芯片( s y s t e 功0 nc h i p ) 的发展，以使信号输入、检测、处 理及反馈输出等功能能够集成在同一块芯片上。利用大规模集成电路工艺技术， 将硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集 成在一块芯片上面构成集成传感器系统“1 ，集成健感器系统利于降低成本，减小 整个系统的尺寸，提高系统的可靠性等方面。 2 2 传感器系统实现的途径 目前传感器技术的发展是沿着三条途径实现传感器系统的。( 1 ) 非集成化 实现；( 2 ) 集成化实现；( 3 ) 混合实现。 2 2 1 非集成化实现 非集成化传感器是将传统的经典传感器( 采用非集成化工艺制作的传感器， 仅具有获得信号的功能) 、信号处理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一 整体而构成的个传感器系统。如下框图所示。 4 第二章湿度传感器的概述及分类 _ _ ，- i 经媳传感器 厂_ 叫信号处理电路卜_ 微处理器总线接口 二t ：i 一一j i ：i ； 数字总线 图2 1 非集成化传感器系统框图 f i g 2 一ln o n i n t e g r a t es e n s o rs y s t e m 在上图的信号处理电路是用来处理传感器输出的信号的，即将传感器输出 信号进行处理并转换为数字信号后送入微处理器，再由微处理器通过数字总线 接口挂接在现场数字总线上。这是一种实现传感器系统的最快途径和方式， 2 2 2 集成化实现 这种传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用 硅作为基本材料来制作敏感元件、信号处理电路、微处理单元，并把它们集成在 一块芯片上面构成的。故又可称为集成传感器系统。 随着微电子技术的飞速发展，大规模集成电路工艺技术的完善，集成电路 器件的密集度越来越高。它已促进了微机械加工技术的发展，形成了与传统的经 典传感器制作工艺完全不同的现代传感器技术。3 。 2 2 3 混合实现 根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号处理电路、 微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上， 并装在一个外壳里。 信号处理电路包括多路开关、放大器、基准、模数转换器( a d c ) 等。 微处理器单元包括数字存储器( e p r 0 l 、r o m 、r a m ) 、i o 接口、微处理器、 数模转换器( d a c ) 等。 图( a ) 中，是三块集成化芯片封装在一个外壳里； 图( b ) 、( c ) 、( d ) 中，是两块集成化芯片封装在一个外壳里。 基于删0 s 工艺的电容型湿度传感器研究 高位计并考【 。，1 。1 1 。 i 7 i 燃口 l r 1 1 ；撇避器 j l r 一一厂一l r 一j 一 f j 信号调理电路 r i ：敏感元件 l； l 总线接口 i 1 f l 微照馥s 【 1 信号调理电路1 敏岱神f 5 |i l j 【一一一j 图2 2 在一个封装中可能的混合集成实现方式 f i g 2 2a l lt y p e so fm i x e di n t e g r a t es e n s o r si no n ee n c a p s u l a t i o n 2 3 湿度传感器的概述 湿度传感器是一类重要的传感器，在我们的生活和工作中许多的方面有着广 泛的应用，如：精密电子元件制造、航天导弹、火箭的储存、粮食的防霉、高 空气象探测、温度种植等。在国内，自湿度传感器闯世以来，开始了我国现代 湿度传感器研制生产的历史；至今已有很多家研究单位和生产厂家，计有几十 种产品，但国内大部分的单位和厂家仍属研制阶段，正式产品不多。所以加速 研制和开发各种可靠、价廉、使用方便的通用湿度传感器和能满足各工业部门 特殊需要的专业湿度传感器、湿度计，是发展我国湿敏元件恻和湿度传感器的迫 切任务。 6 第二章湿度传感器的概述及分类 2 3 1 湿度传感器的应用领域 随着科技的发展，对于湿度的监测与控制变得越来越重要。湿度传感器在 许多部门得到了广泛应用，并起到了重要的作用。湿度传感器的应用主要有如 下几个方面： ( 1 ) 气候 天气测量和预报对工农业生产、军事及人民生活和科学实验等方 面都有重要意义，因而湿度传感器是必不可少的测湿设各。 ( 2 ) 温室养殖现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制 与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围， 是减少病虫害、提高产量的条件之一。例如：乳化雏鸡，相对湿度应控制在6 8 左右，湿度过高不利于雏鸡生长，过低不利于雏鸡出壳。目前，已有相当数 量的养殖场温室安装上了空调机，对温度湿度进行控制。 ( 3 ) 工业生产 在纺织、电子、精密机器、陶瓷工业等部门，空气湿度直接 影响到产品的质量和产量，必须有效地进行监测调控。例如：陶瓷胚体在干燥 室干燥过程中，需要空气温度、湿度控制在一定范围内以保证胚体水分在所要 求范围，否则在窑中烧制时就会出现不同程度地裂痕。为此，要烧出高质量地 瓷品，干燥室就要配置有恒温器控制的空调器。又如生产厂家为了考核产品对 自然环境的实用性，设有湿热实验室，其中空气湿度温度可调，以模拟自然环 境，这里湿度传感器是必不可少的。 ( 4 ) 储藏各种物品对环境均有一定的适应性。湿度过高过低均会使物品丧 失原有的性能。如在高湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件发 霉变质，绝缘性能降低，导致漏电击穿；金属零件腐蚀生锈。有研究表明：金 属材料的临界相对湿度为7 0 ，非金属材料的临界相对湿度为8 0 。要较好地 保存物品，仓库空气相对湿度应控制在物品的临界相对湿度以下。 ( 5 ) 精密仪器的使用保护 许多精密仪器、设备对工作环境要求较高。环境 湿度必须控制在一定的范围内，以保证它们的正常工作，提高工作效率及可靠 基于c s 工艺的电容型湿度传感器研究 过低易产生静电，影响正常工作。因两不少计算枫房和程控交换机房用上了装 有恒温恒湿空调机甚至更高级的空调机。 ( 6 ) 医疗卫生在医疗部门湿度传感器也有许多应用。例如，人呼吸对吸入 的空气充分湿化对维护呼吸系统的正常生理功能极为重要，有助于保护气管， 支气管黏膜等。正常入吸入空气的湿化是靠上呼吸道进行的。许多疾病可引起 呼吸道湿化不足或所需湿化量增加。此时需要湿化治疗，对患者人工通气，气 体的温度应控制在3 7 ，而相对湿度应控制在7 0 以上。又如，人们生活所处 的空间，也要求湿度控制在适当的范围。湿度过高，会使人感到呼吸不畅，湿 度过低，又使人感到口干舌燥。这些都不利人体的健康。为此，已有一些高级 住宅，列车，汽车上安装了湿温控制空调机。 2 3 2 湿度的单位和表示方法 ( 1 ) 相对湿度：实际空气的湿度与在同一温度下达到饱和状况时的湿度之比值。 单位： 相对湿度过( r h ) = m 8 木1 0 0 9 6 t m a = 空气中水的含量 i l 【g = 该空气可含水的最大容量 t = 温度 同样体积空气的含水饱和度随着温度的变化而变化。温度越高，空气含水 饱和度越高。 ( 2 ) 绝对湿度：空气中的水蒸气质量与湿空气的总体积之比。 ( 3 ) 露点温度：在给定的压力下，混合比为y 的湿空气被水饱和时的温度。在 该温度下水的饱和蒸气压等于混合比为y 的湿空气的水蒸气分压。 笙三童堡星壁堕矍塑塑垄墨坌茎 ( 4 ) 露点：指空气中饱和水汽开始凝结结露的温度，在1 0 0 的相对湿度时，周 围环境的温度就是露点温度。露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性 就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。 ( 5 ) 饱和水汽压：饱和空气下产生的压力，饱和水汽压间接反映大气中的水汽 压力，是温度的系数，温度越高，空气中所容量水分子数量越多；反之，越少。 ( 6 ) 饱和差：在一定温度条件下，饱和水汽压与当时的实际水汽压之差，间接 表示空气中的水汽含量，单位h p a 。在讨论水面蒸发强度时，多用饱和差，因饱 和差的大小表示水分的蒸发能力，气温越高，饱和差越大，则蒸发进行的越强 烈；气温越低，饱和差越小，蒸发进行缓慢。 ( 7 ) 混合比：湿空气中所含的确定气体质量与它共存的干空气质量之比。 ( 8 ) 比湿：湿空气中水蒸气的分体积与干空气的分体积之比。 ( 9 ) 体积比：水蒸气摩尔数与总摩尔数之比。 ( 1 0 ) 水蒸气摩尔分数：水蒸气摩尔数与总摩尔数之比。 ( 1 1 ) 水蒸气分压：湿气( 体积为v ，温度为t ) 中的水蒸气相同v 、t 条件下 单独存在时的压力。 2 4 湿度传感器的分类 湿度的测量具有一定的复杂性，人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等 已不能满足现代要求的实际需要，为此，人们研制了各种湿度传感器。湿度按 照其测量的原理，一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波 型等，这里是以介绍前三种为主。 2 4 1 电容型 电容型湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、 9 苎三! ! 坠三苎塑皇查型望堕堕壁堂婴壅 金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿 度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变 化。电容器的电容值也就发生变化。同样，把电容值的变化转变为电信号，就 可以对湿度进行监测。例如：聚苯乙烯薄膜湿敏电容，它具有亲水性的极性基 团，随着环境湿度的增减，它吸湿脱湿，电容值也随之增减，从而得到的电信 号随湿度的变化而变化。 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改交时，湿敏 电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度 成正比，利用这特性即可测量湿度。常用的湿度传感器的感湿介质主要是有： 多孔硅9 1 、聚酰亚胺“。 为了获得良好的感湿性能，希望电容湿度传感器的两级越接近、作用面积 和感湿介质的介电常数变化越大越好。所以通常采用三明治型结构的电容湿度 传感器，它的优势在于可以将电容型的湿度传感器的两级较接近，从而提高电 容型湿度传感器的灵敏度。如以聚酰亚胺作湿敏电容的介质，三明治型的电容 湿度传感器如下图所示： 圈2 3 三明治型的湿度传感器的俯视图和剖面图 f i g 2 3s c h e m 8 t i cs t r u c t 盯eo fs a n 曲i c ht y p eh u i d i 七ys e n s o r s 假设电容感湿薄膜的介电常数为s ，它与相对湿度r h 之间存在着线性关系， 即 占= + 口心( 2 1 ) 口为感湿材料的常数，岛为r h = 0 时的介电常数。 因此平行极板的湿度传感器的电容值为 1 0 第二章湿度传感器的概述及分类 c s e m o r = s k = s b k + k a r h k 值大小由敏感电容的几何尺寸所决定。 ( 2 2 ) 2 4 2 电阻型 电阻型湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、 半导体、多孔陶瓷、有机物及高分子聚合物。这些材料对水的吸附较强，吸附 水分后电阻率( 或电导率) 会随湿度的变化而变化。这样湿度的变化可导致湿 敏电阻阻值的交化，电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如，氯化锂 的水溶液在基板上形成薄膜，随着空气中永蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿， 溶液中的盐的浓度减小、增大，电阻率随之增大、减小，两级间电阻也就增大、 减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻，陶瓷本身是由许多小晶粒构成的。其中的气孔 多与外界相通，通过毛孔可以吸附水分子，引起离子浓度的变化，从而导致两 级间的电阻变化。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水 蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这特性即 可测量湿度。电阻型湿度传感器可分为两类：电子导电型和离子导电型。 电子导电型湿度传感器，也称为“涨缩型湿度传感器”，它通过将导电体 粉末( 金属、石墨等) 分散于膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。随湿度变化， 膜发生膨胀或收缩，从而使导电粉末间距变化，电阻随之改变。但是这类传感 器长期稳定性差，且难以实现规模化生产，所以应用较少。离子导电型湿度传 感器，它是高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移 率增加：同时吸附的水分子电离使离子载体增多，膜电导随湿度增加而增加， 由电导的变化可测知环境湿度。这类传感器应用较多。 在电阻型湿度传感器中一直以来都存在一个最大的缺点，就是电流的静态 损耗，然而，通过使用小尺寸传感器和高阻值的电阻薄膜，这个缺点已经得到 了很大的改善。它的结构图如下所示： 基于c m o s 工艺的电容型湿度传感器研究 图2 - 4 电阻型湿度传感器的结构图 f i g 2 4s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fr e s i s t a n c eh 删i d i t ys e n s o r s 金属层1 作为连续的电极，它与另一个电极是隔开的。活性物质被淀积在 薄膜上，用来作为两个电极之间的连接，并且这个连接是通过感湿传感层的。 湿敏薄膜则直接暴露在空气中。在金属层2 上挖去一定的区域直到金属层l ，用 这些区域作为传感区。金属层1 和金属层2 只是作为电极，它们之间是没有直 接接触的。整个传感器是由许多这样的小单元组成的。根据传感器所需的电阻 值的不同，小单元的数目是可以调节的，那么它的大小也会跟着相应的变化的。 因为两个电极之间的连接只能在每个小单元中确定，所以整个传感器的构造可 以看成是一系列的平行电阻。 假设所有的小单元有相同的电阻值r ，那么由n 个小单元组成的传感器的 电阻值r o ，即为： 1 - ：子l ( 2 3 ) 矗o尺。 一般所选用的活性物质的电阻值很高，将大量的小单元放在一起可以减少 整体的电阻，这样便于在电路中使用。 2 4 3 离子敏型 离子敏场效应管( i s f e t ) 与普通的m o s f e t 相似，只是将m o s f e t 栅极的多 晶硅层移去，用湿敏材料所代替。当湿度发生变化时。栅极的两个金属电极之间 的电势会发生变化，在栅极上的湿敏材料1 的介电常数占的变化，将会影响通过 非导电物质的电荷流。如下图所示。 第二章湿度传感器的概述及分类 图2 5 离子敏型湿度传感器的结构图 2 5 总结 由于多孔硅与c m o s 工艺不兼容，并且多孔硅制备的工艺条件及后处理、孔 隙及孔径大小的控制很困难，同时多孔硅的感湿机理比较复杂。因此c m 0 s 湿度 传感器的主要感湿介质“2 1 以聚酰亚胺为主。聚酰亚胺类的传感器可与c 啪s 工艺 兼容，成本也较低，并且无需高温加工和加热清洁，它对湿度的感应不像多孔 陶瓷易受污染。 而若用c s 工艺生产电阻型湿度传感器和离子敏型湿度传感器，它们需要 改动较多c m o s 的工艺。例如：改变生产过程的先后顺序，使用新的掩膜板1 等，这些都会耗费大量的流片资金；并且与标准的c m 0 s 工艺相比，工艺较不成 熟，增加了流片的风险性；同时它们存在着难与外围电子封装在一起的困难。 因此本论文是采用梳状“”铝电极结构，聚酰亚胺作为感湿介质。它的优点 主要是可与c m o s 工艺相兼容，较容易利用成熟的标准c 旧s 工艺来加工，且后 加工工艺较简单，所以能够把更多的器件( 敏感器件或外围的电路器件) 集成 在同一块芯片上或封装在一起，使传感器具有更好的性能或更多的功能。同时 有利于使湿度传感器向小型化，集成化，价格便宣和可靠性高，功能全面等好 的方面发展。 基于c m o s 工艺的电容型湿度传感器研究 第三章c m o s 兼容电容型湿度传感器的理论 模型 我们设计的电容型湿度传感器是采用梳状铝电极结构，聚酰亚胺作为感湿 介质。对于这种湿度传感器进行物理建模的过程中，已有的模型存在者仿真结 果与实验结果相差很大的问题。而对于湿度传感器模型的研究在近年越来越受 到重视，因为只有对正确的传感器模型进行分析和仿真，才可能使后期的工艺 加工正常进行。我们通过分析感湿介质的介电常数吸附水分后变化，考虑其电 场分布，对这种可与c m o s 工艺兼容的电容型湿度传感器进行理论推导，物理建 模，并且对该模型进行了计算，利用软件对所建理论模型进行了仿真。仿真结 果表明所建的模型比常用的l a c o n t e 模型“更符合实验结果。 3 1 电容型湿度传感器物理结构与模型 电容型湿度传感器的工作原理是：传感器上的感湿介质由于外界环境的相 对湿度变化，吸附脱附空气中的水汽分子，使得感湿介质的介电常数发生变化， 引起湿度传感器的电容值改变，从而测量湿度。电容型湿度传感器的结构如图 3 一l 和图3 2 所示。铝电极板分别是由宽为2 s ，厚度为t ，长为l 的条形铝电极 形成的梳状结构，相邻铝电极板的间距为2 9 。p 型硅衬底的介电常数为e 。，厚 度是h 。：在铝电极板的下方和硅衬底之间是二氧化硅层，其介电常数为。厚 度是h ：( h h ：) ；最上方覆盖着一层厚度是h 。的聚酰亚胺( p i ) ，其介电常数 是e 。它随外界环境的相对湿度的变化而变化。 图3 一l 电容型湿度传感器的俯视图 f i g 3 一lt o pv i e wo fc a p a c i t i v eh 岫i d i t ys e n s o r s 第三章c m o s 兼容电容型湿度传感器的理论模型 圈3 2 电容型湿度传感器的剖面图 f i g 3 2s e c t i o n a ly i e wo fc a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o r s 该结构具有以下的优点：( 1 ) 可完全与标准的c m o s 工艺兼容，不需对其进 行任何工艺改动，便于利用成熟的c m 0 s 工艺加工生产；( 2 ) 利用聚酰亚胺作为 感湿膜，后端工艺较为简单，可以降低成本，便于大量生产；( 3 ) 采用铝电极 棱状并联结构可以增加敏感电容，提高传感器的灵敏度；( 4 ) 可将硅衬底接地 消除外界干扰，减小寄生电容。 3 2 理论推导与计算 根据l o o y e n g a 的经验公式“”，吸着水分的p i 的介电常数为： !三三 ，= 【丫( 。3 一p3 ) + p 3 】3 ( 3 1 ) 式中的y 为p i 吸水的体积百分数，与相对湿度：r 的关系为： 1 ，= 丫。( 丁) x 艄 ( 3 2 ) y 。为7 三2 9 8 k 时最大的体积百分数；妒( - ) 代表吸附系数对y 的影响；声( ) 代 表水的介电常数和催化效应对y 的影响；。为f = 0 时，p i 的介电常数；。为 水的介电常数，可由下式给出： 。= 7 8 5 4 l 一4 6 1 0 _ 4 ( z 1 一毛) + 8 8 1 0 - 6 ( r 一露) 2 ( 3 3 ) 公式( 3 3 ) 中磊= 2 9 8 k 。 为方便起见，在讨论如图3 2 所示的三层结构之前，我们首先考虑只有一 层衬底的梳状电极在衬底内部所形成的电容，假设金属铝电极板的厚度很小， 即t 哼o ，衬底的厚度为h ，介电常数为e ，如图3 3 所示。 基于c m o s 工艺的电容型湿度传感器研究 图3 3 一层衬底的结构模型和电力线在其内部的分布 f i g 3 3s i n 9 1 e s u b s t r a t ec a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o r 加o d e la n de l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o ni n s i d et h es u b s t r a t e 由参考文献 1 7 得到： c = 丢s e 。善黯 ( 3 4 ) 。为真空中的介电常数；e 为铝电极的长度；世( ) 为第一类椭圆积分；女， + 为第一类椭圆积分的模数，它们可表示如下： e ：盏。 七= 兰- _ o “n h ( 掣) 七：瓜 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 现在我们将以上的结果应用于三层结构的电容型湿度传感器中，电力线分 布如下图所示： 图3 4 电容型湿度传感器的电力线圈 f i g 3 4e 1 e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fc a p a c i t i v eh u i d i t ys e n s o r s 图3 4 所示的n 根条形铝电极组成的梳状结构中，除去两端的各i 5 根电 极外，在a b 和c d 之间共有( n 一3 ) 个相同的电极。利用保角映射3 。”1 的方法 分别将在各个区域的部分电容映射到同一个平面中相同矩形的内部区域里，这 样对于总电容的求解就相当于部分电容之和，也就等价于将部分电容并联起来 鬻攀 一一 釜三至! ! 堕鍪查里查型堡壁堡墅塑塑墨笙堡型 形成一个合成的电容，所以总电容c 。认为是4 个部分电容之和：( 1 ) 空气中的 电力线形成的电容c 。；( 2 ) s i 衬底中的电力线形成的电容c ；( 3 ) s i0 2 层中的 电力线形成的电容g ；( 4 ) p i 覆盖层中的电力线形成的电容c 。所以 c 【t = q 一3 ) x ( c 0 + c i + c 2 + c 3 ) 三 ( 3 7 ) 考虑到如图3 4 中最两端所形成的电容和图3 _ l 中铝电极的终端所形成的 电容与总电容相比很小，这里将其忽略。c o 表示由空气中的电力线所形成的电 容，令西哼。o ，e = 1 ，并考虑上下两半个空气充满的空间，由公式( 3 4 ) 一( 3 6 ) 得到c o 的表达式： c 。喃器上 8 ) 这里女。；三；。= l 一2 同理c t ，c ”c ，可以由公式( 3 4 ) 一( 3 6 ) 得到，这里的h 1 ，h 2 ，h 。分别是各 层的厚度；它们的介电常数分别为( e 广1 ) 、( e ：一。) 、( 。一1 ) ，则公式( 3 7 ) 可以表示为： c = ”3 h e 。器 。 公式( 3 9 ) 中； e 。= 1 孚玉孚 ( 3 - 1 0 ) 。：业垦啦2 ( 3 一u ) 乳 k ( 盘，) k ( 七。) f c o s 川等m 2c 雩， i 川为m2 t 等：， ( 3 1 2 ) 七，= 庸i = l ，2 ，3 ( 3 砌) 在公式( 3 4 ) 中我们假设了铝电极板的厚度很小( t _ o ) ，但实际情况 下，金属电极板具有一定的厚度，所以在总电容中必须将此部分加入。我们可 以将铝电极之问的电力线形成的电容看成是平行板电容，由平行板电容器的公 式得： 骞 。忑 二一 苎王! ! 堕三：堇塑皇堑里堡堡! 皇! 墅量竺! i c ：= ( ”一1 ) 兰掣 3 1 4 所以如图3 4 所示的湿度传感器的总电容为： c = c 1 i + e 2 2 ( 3 1 5 ) 至此我们推导出电容型湿度传感器的总电容。另外湿度传感器的灵敏度也 是设计时非常关注的问题，下面进行讨论。在公式( 3 1 0 ) 中岛表示p i 的介电 常数，而吸附水分后的p i 的介电常数用。来衷示，所以 嵋= 9 3 等 ( 3 1 6 ) 由公式( 3 9 ) 得： 崛，却- 3 ) 峨e 。器 ( 3 川) 由公式( 3 一1 4 ) 得： c ：( 刀一1 )