多孔硅相對濕度傳感器的設(shè)計(jì)*

張勝兵,許高斌,陳 興,馬淵明

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心,合肥 230009)

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多孔硅相對濕度傳感器的設(shè)計(jì)*

張勝兵,許高斌*,陳 興,馬淵明

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心,合肥 230009)

基于對三明治型與平鋪型兩種多孔硅濕度傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度分析與比較,結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)出新的傳感器的結(jié)構(gòu)。通過對該結(jié)構(gòu)濕度傳感器的性能測試,得出該傳感器的靈敏度為1.1 pF/RH%,響應(yīng)時(shí)間為73 s,溫度濕度系數(shù)為0.5%RH/℃,該濕度傳感器適用于在中低濕環(huán)境中測量,在每隔20 d的時(shí)間對傳感器跟蹤測試,證明該傳感具有較好的穩(wěn)定性。此外為了傳感器可以自解吸附,該傳感器采用多晶硅為傳感器加熱除濕,在金屬電極上濺射一層鈍化層以防止電極被水汽腐蝕。

MEMS;濕度傳感器;仿真;實(shí)驗(yàn);多孔硅;自解吸附

濕度傳感器作為一種重要的傳感器,在很多部門得到廣泛的應(yīng)用。例如:精密電子元件制造、火箭的存儲、航天導(dǎo)航、糧食的防霉等。目前濕度傳感器的種類很多,就其使用的感濕材料而言,主要有電解質(zhì)和高分子化合物材料、半導(dǎo)體陶瓷材料和多孔金屬氧化物半導(dǎo)體材料等。在國內(nèi),比較典型的濕度傳感器有半導(dǎo)體陶瓷型(如ZrO2:TiO2復(fù)合納米纖維濕度傳感器[1])、電解質(zhì)型(如LiCl濕度傳感器)、有機(jī)高分子型(如聚乙烯醇、脲醛樹脂[2]、聚酸胺等材料制成的濕度傳感器等)和光纖濕度傳感器。然而這些傳感器也存在很多問題。例如:穩(wěn)定性、可靠性、耐濕性不理想,溫漂大,抗干擾能力不強(qiáng)和使用壽命短等。因此探索高精度、高可靠性、長壽命、濕滯小、抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)良濕敏材料,改進(jìn)元件的結(jié)構(gòu)及制備工藝,改善傳感器的響應(yīng)特性是濕度傳感器發(fā)展的關(guān)鍵。

多孔硅作為一種新興的感濕材料正處于研究階段。

單晶硅經(jīng)過陽極氧化處理后形成多孔硅PS(Porous Silicon),這一特殊結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)于1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室。多孔硅的特性復(fù)雜,就其感濕特性而言,由于多孔硅的比表面積大,對濕度敏感性強(qiáng),被廣泛應(yīng)用于各種濕度傳感器。

目前多孔硅濕度傳感器結(jié)構(gòu)大致可分為平鋪型、三明治型等。濕度傳感器按檢測類別可分為電容型、電阻型、電流型。由于電阻、電流隨外界環(huán)境(如溫度)影響較大,不易控制,加之多孔硅在外界濕度變化時(shí)介電常數(shù)變化較大,因此本文主要研究電容型結(jié)構(gòu)。

1 濕敏傳感器的感濕原理

1.1 多孔硅制備

實(shí)驗(yàn)室制備多孔硅的方法是雙槽電化學(xué)腐蝕法,這種方法既簡單有效,又經(jīng)濟(jì)實(shí)用。制備的多孔硅均勻性好。實(shí)驗(yàn)制備的多孔硅表面形貌圖如圖1～2所示。

采用P<100>型電阻率為0.01 Ω·cm～0.02 Ω·cm的硅片,經(jīng)過電化學(xué)腐蝕制備出多孔硅的孔隙率有50%～80%(經(jīng)過計(jì)算)不等,然而在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)孔隙率大于70%多孔硅會出現(xiàn)表面坍塌的現(xiàn)象,因此實(shí)驗(yàn)室選用低于70%孔隙率的多孔硅作為傳感器的介質(zhì)材料,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),得出孔隙率為60%,孔深約為20 μm的多孔硅表面致密性和均勻性良好,也無坍塌現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 多孔硅FSEM圖

圖2 多孔硅AFM表面形貌圖

1.2 多孔硅的感濕機(jī)理

多孔硅的感濕機(jī)理屬于多孔介質(zhì)對水分子的吸附,吸附類型有物理和化學(xué)兩種。多孔硅處于一定濕度環(huán)境下,由于多孔硅具有極大的比表面積,因而表面的自由力場增強(qiáng),吸收的水分增多(物理吸附)?；瘜W(xué)吸附在于吸附了水分子的孔壁表面出現(xiàn)負(fù)空間電荷層,為了平衡這種負(fù)電性,表面的空穴濃度增加,其電阻率隨濕度的增加而減少[3]。多孔硅的相對介電常數(shù)很小(本實(shí)驗(yàn)所制備的約為4.41),水的相對介電常數(shù)約為80,若將其作為平板電容器的介質(zhì),當(dāng)多孔硅吸收水分后兩極板間的電容會隨著介電常數(shù)的變化而變化。

1.3 感濕材料的介電性能分析

根據(jù)有效介質(zhì)理論模型[4],多孔硅可以看做是致密的單晶硅和空氣組成的非均勻系統(tǒng)其有效介電常數(shù)可表示為:εef=εer-iεei,知道各個(gè)組分的介電常數(shù)可以根據(jù)各種模型計(jì)算多孔硅的有效介電常數(shù)。由于本文中的多孔硅在制備完成后上表面會進(jìn)行氧化,因此實(shí)際的濕敏材料是被氧化的多孔硅OPS(Oxidized Porous Silicon),根據(jù)改進(jìn)的Maxwell-Garnett模型[5],OPS的介電常數(shù)可用以下公式計(jì)算:

(1)

式中:εp、εSi、εSiO2、εair分別為OPS、硅、二氧化硅、空氣的介電常數(shù),fSiO2、fair分別為混合介質(zhì)中二氧化硅、空氣的體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)OPS吸收水分后其介電常數(shù)的變化可用Looyenga經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合dubinin微孔固體吸水公式[6-7]計(jì)算,設(shè)OPS的初始介電常數(shù)為εp(相對濕度為0),水的介電常數(shù)為εw,混合介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。

ε=[γ(εw-εp)+εp]3

(2)

式中:

γ=γmφ(T)xψ(T),φ(T)=1-α0(T-T0)

(3)

(4)

式中:γm=4.04×10-2,T0=298 K,α0=2.43×10-3,α1=2.22×10-4,α2=2.34×10-5,β1=4.9×10-3,β2=-0.12,ψ0=0.836,εw=78.45(x為相對濕度)。

圖3 混合介質(zhì)介電常數(shù)隨相對濕度的變化

利用MATLAB軟件做出介電常數(shù)隨濕度變化的曲線,如圖3所示。

2 濕度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)選擇

多孔硅電容型濕度傳感器的主要結(jié)構(gòu)有平鋪型和三明治型兩種。本文意在構(gòu)造一種平鋪型與三明治型的組合型結(jié)構(gòu)。三明治型的基本結(jié)構(gòu)為上、中、下3層(上、下兩層金屬板,中間為介質(zhì)),這樣形成的電容為平板電容,通過增加傳感器的面積可增加其靈敏度;平鋪型則是在介質(zhì)的表面沉積一層叉指狀金屬電極,其感濕介質(zhì)為多孔硅材料,形成的電容為同面多電極電容,通過增加傳感器的面積、改變電極之間間距和電極的寬度可增加其靈敏度。本文所構(gòu)造的結(jié)構(gòu)是在介質(zhì)的表面利用MEMS工藝的方法刻蝕出叉指狀的槽,在腐蝕槽內(nèi)沉積金屬作為電極,3種結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4～圖6所示。

圖4 三明治型結(jié)構(gòu)俯視圖與剖面圖

圖5 平鋪型結(jié)構(gòu)俯視圖與剖面圖

為了比較3種結(jié)構(gòu)的靈敏度,設(shè)計(jì)3種結(jié)構(gòu)的傳感器面積均為500 μm×500 μm,利用ANSYS有限元仿真軟件對以上3個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真,得到相對濕度與電容的變化情況如圖7所示。

圖6 本文結(jié)構(gòu)俯視圖與剖面圖

圖7 相對濕度與電容的變化關(guān)系

從仿真數(shù)據(jù)可知,3種結(jié)構(gòu)在相對濕度變化范圍內(nèi)電容變化分別為:0.001 pF、0.037 pF、0.05 pF。三明治結(jié)構(gòu)不利于單片集成,且同樣的傳感器面積改變電極寬度和間距不能提高其靈敏度;平鋪型結(jié)構(gòu)靈敏度高且有利于單片集成,但電極長期暴露在空氣中易被腐蝕。本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)靈敏度高且有利于集成,改變電極寬度與間距可提高傳感器的靈敏度。

2.2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上數(shù)據(jù)的分析,圖8給出了本文中設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 多孔硅相對濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)以平鋪型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),以O(shè)PS為介質(zhì)材料。電極之間形成平板電容,多晶硅薄膜作為加熱電阻條為傳感器加熱除濕[8],為防止電極表面長期暴露在空氣中被腐蝕,在電極表面淀積一層鈍化層(Si3N4)。

3 傳感器制備工藝流程(圖):

濕度傳感器的部分流水工藝:

①清洗:選用p<100>型單面拋光單晶硅片,厚度約520 μm,電阻率為0.01 Ω·cm～0.02 Ω·cm,用標(biāo)準(zhǔn)的微電子工藝清洗;②使用雙槽電化學(xué)陽極氧化法制備多孔硅;③用ICP法(感應(yīng)耦合等離子體)刻蝕出需要做電極的槽;④對試驗(yàn)片進(jìn)行氧化,在多孔硅的表面形成一層薄氧化層;⑤采用一種金屬填充硅通孔工藝[9]的方法在腐蝕槽中沉積金屬電極;⑥在電極上方淀積一層鈍化層(Si3N4);⑦在OPS的上方淀積一層多晶硅電阻薄膜。

部分工藝流程如圖9所示。

圖9 傳感器制備工藝流程圖

4 濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)性能分析:

傳感器的尺寸為2.5 mm×2.5 mm,未封裝的傳感器元件如圖10～圖11所示。

圖10 顯微鏡下傳感器的表面示意圖圖

圖11 濕度傳感器元件示意圖

對該結(jié)構(gòu)濕度傳感器濕敏元件的靈敏度、濕滯特性、響應(yīng)特性、溫濕度特性、穩(wěn)定性的測試,結(jié)果如圖12所示(測試頻率為50 kHz,測試電壓為2.75 V)。

圖12 傳感器的性能測試曲線

4.1 靈敏度

如圖12(a)所示,在環(huán)境相對濕度從25RH%變化至95RH%時(shí)濕敏元件的電容變化了77.3 pF,曲線的線性度較好,傳感器的靈敏度為:

(5)

4.2 吸附特性

如圖12(b)所示,濕敏元件不僅在吸濕和脫濕兩種情況下的響應(yīng)時(shí)間有所不同,而且其感濕特性曲線也不相重復(fù)。在吸濕和脫濕情況下,兩個(gè)感濕特性曲線一般可形成一回線。濕敏元件的這一特性成為濕滯特性,而將上述回線成為濕滯回線。由圖中可以得出電容在高濕區(qū)濕滯較大,而在中、低濕區(qū)相對較小。因此該濕度傳感器更適用于中低濕環(huán)境下的測量。

4.3 響應(yīng)特性

圖12(c)為濕敏元件在吸濕(25%～95%)階段電容的響應(yīng)曲線,濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間是在規(guī)定的環(huán)境溫度下,環(huán)境由起始相對濕度瞬時(shí)到達(dá)終止相對濕度時(shí),元件的感濕特征量由起始值改變到終止值所需要的時(shí)間。它反映了濕敏元件在相對濕度變化時(shí),輸出特征量隨相對濕度變化快慢的程度。濕敏元件的對濕度的響應(yīng)時(shí)間也是傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。該濕敏元件的響應(yīng)時(shí)間為73 s,對濕度的響應(yīng)較快。

4.4 溫漂

濕敏元件的感度溫度系數(shù)是表示濕敏元件的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。在不同的環(huán)境溫度下,濕敏元件的感濕特性曲線是不相同的。顯然,感濕特性曲線隨環(huán)境溫度的變化越大,由感濕特征量所表示的環(huán)境相對濕度與實(shí)際的環(huán)境相對濕度之間的誤差就越大。因此,環(huán)境溫度的不同直接影響濕敏元件的測量誤差。濕度傳感器的溫度濕度系數(shù)簡稱溫漂,是描述濕度傳感器對溫度的敏感特性,一般溫濕度系數(shù)越小濕度傳感器的性能越好。本次實(shí)驗(yàn)分別在25 ℃、35 ℃測量電容與濕度的關(guān)系曲線如圖12(d)所示,根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線可以計(jì)算出該濕敏元件的溫濕度系數(shù)為0.5%RH/℃,它表示環(huán)境溫度變化10 ℃會引起5%RH的測量誤差。

4.5 穩(wěn)定性與重復(fù)性

一個(gè)良好的濕度傳感器其穩(wěn)定性是極其重要的,它可以表征濕度傳感器的使用壽命。為了測定該傳感器的重復(fù)性與穩(wěn)定性,在第1次測量好數(shù)據(jù)后將元件從溫濕度箱取出,放入樣品盒予以保存,在每隔20天的時(shí)間對該傳感器進(jìn)行跟蹤測量,如圖12(e)所示,由該曲線可知該濕度傳感器的穩(wěn)定性良好。

此傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于:①靈敏度高,尺寸小,感濕特性曲線的線性度好;②可完全與MEMS工藝兼容;③使用一層并聯(lián)多晶硅作為加熱電阻,不僅可以減小脫附時(shí)間,而且還可以便于檢測完電容后除去殘留在OPS里面的水蒸氣及雜質(zhì)氣體,延長傳感器使用壽命;④電極上面淀積一層鈍化層Si3N4,可以有效的防止電性能的退化,并防止潮濕、離子或其他外部沾染物等原因引起的漏電流的通路,影響下次測量;⑤將襯底接地消除外界干擾,減小寄生電容。

表1 是本文中傳感器的部分性能參數(shù)與參考文獻(xiàn)的比較[10-12]

5 結(jié)束語

目前濕度傳感器的應(yīng)用已經(jīng)深入到各行各業(yè),濕度信息的精確測量變得十分重要。多孔硅濕度傳感器因多孔硅良好的感濕特性而受到廣大科研人員的青睞。本文給出一種基于MEMS工藝的多孔硅相對濕度傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),該濕度傳感器一改常見的平鋪型與三明治型結(jié)構(gòu),結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),以O(shè)PS作為平板電容的介質(zhì),并結(jié)合工藝的可行性適當(dāng)調(diào)整叉指狀電極的尺寸,這樣可以提高傳感器的靈敏度。此外用到多晶硅加熱電阻為傳感器除濕,電極上淀積鈍化層是為提高傳感器的使用壽命而設(shè)計(jì)。該傳感器設(shè)計(jì)符合高精度、使用壽命長、制作工藝簡單價(jià)格低廉等濕度傳感器的要求。

[1] 蘇梅英,王兢,姚朋軍. ZrO2:TiO2復(fù)合納米纖維濕度傳感器的直、交流特性研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(12):1681-1686.

[2]呂日新,周學(xué)酬,馮明輝. 涂敷脲醛樹脂的石英晶體微天平濕度傳感器[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(2):166-169.

[3]許媛媛,何金田,李新建,等. 多孔硅濕度傳感器研究進(jìn)展[J]. 傳感器技術(shù),2003,22(8):5-8.

[4]崔昊楊,李宏建,趙楚軍,等. 基于有效介質(zhì)理論的多孔硅有效介電函數(shù)模型[J]. 功能材料,2004,35:309-311.

[5]Ahmed Gharbi,Boudjemaa Remaki,Aomar Halimaoui. High-Density Oxidized Porous Silicon[J]. Semiconductor Science And Technology,2012,27(10):105017-105021.

[6]Hideo Shibata,Masahiro Ito,Masahiro Asakursa.A Digital Hygrometer Using a Polyimide Film Relative Humidity Sensor[J]. Instrumentation and Measurement,1996,45(2):564-569.

[7]Peter J Schubert,Joseph H. A Polyimide-Based Capacitive Humidity Sensor[J]. Electron Devices,1985(7):1220-1223.

[8]Furjes P,Kovacs A,Ducso C S,et al. Porous Silicon-Based Humidity Sensor with Interdigital Electrodes and Internal Heaters[J]. Sensors and Actuators,2003,B 95:140-144.

[9]肖勝安,程曉華,吳智勇,等. 一種金屬填充硅通孔工藝的研究[J]. 2011,32(2):180-183.

[10]許媛媛,何金田,李新建,等. 水熱腐蝕鐵鈍化多孔硅的濕敏特性研究[J]. 傳感器技術(shù),2004,23(3):11-13.

[11]姜波. 多孔硅基濕敏傳感器的制作與性能研究[D]. 2010.

[12]Yun Wang,John T W Yeow. Humidity Sensor of Ordered Macroporous Silicon with HfO2Thin-Film Surface Coating[J]. IEEE Sensor Journal.2009,9(5):541-547.

The Design of The Porous Silicon Relative Humidity Sensor*

ZHANGShengbing,XUGaobin*,CHENXing,MAYuanming

(Micro Electromechanical System Reaserch Center of Engineering and Technology of Anhui Province,School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

This paper analyses and compares the sensitivity of two types of porous silicon humidity sensor—the sandwich type and the tiled type. A structure of porous silicon humidity sensor which combines the advantages of these two kinds of structure is designed in this paper. By testing the performance of the structure of humidity sensor,it is concluded that the sensitivity of the sensor is 1.1 pF/RH%,the response time is 73 seconds and the temperature humidity coefficient is 0.5%RH/℃. The humidity sensor is used in low and medium humidity environment and the results show that the sensor has an outstanding performance of stability in the sensor tracking test of every 20 days. The polysilicon for heating and dehumidification is adopted for the sensor’s desorption. The metal electrode is also covered with a passivation layer to prevent the corrosion caused by water vapor.

MEMS;humidity sensors;emulation;experiment;porous silicon;self-absorption

張勝兵(1990-),男,碩士研究生,2012年就讀于合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,研究生期間從事于多孔硅濕度敏感特性以及傳感器結(jié)構(gòu)的研究,1037311398@qq.com;

許高斌(1970-),男,1993年和2001年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士和碩士學(xué)位,2004年畢業(yè)于東南大學(xué)獲得博士學(xué)位,合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院教授,研究領(lǐng)域?yàn)镃MOS MEMS、MEMS/NEMS器件與集成制備技術(shù)、微納傳感器與執(zhí)行器及片上集成電路等,gbxu@hfut.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA041101);安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(10120106005)

2014-10-21 修改日期:2015-01-30

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.002

TB33

A

1004-1699(2015)05-0617-06