片上加熱電容式濕度傳感器研究*

陳文浩,黃見秋

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

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片上加熱電容式濕度傳感器研究*

陳文浩,黃見秋*

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

提出了一種集成加熱結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)。對傳感器的穩(wěn)態(tài)加熱特性進(jìn)行了分析,并利用紅外線熱成像技術(shù)對傳感器加熱過程以及穩(wěn)態(tài)溫度響應(yīng)進(jìn)行了研究。在5 V電壓信號的加熱下,傳感器溫度上升約30 ℃,且溫度分布均勻,傳感器敏感區(qū)域溫差<4 ℃。在加熱與不加熱條件下,分別對傳感器的濕度敏感特性與響應(yīng)時(shí)間特性進(jìn)行了測試。不加熱時(shí),傳感器的靈敏度為0.009 13 pF/%rH,回滯≈0.12 pF,響應(yīng)時(shí)間約120.8 s;以5 V脈沖信號加熱后,傳感器靈敏度為0.009 03 pF/%rH,最大回滯≈0.025 pF,響應(yīng)時(shí)間約75.2 s。加熱后傳感器性能有了顯著提高。

濕度傳感器;MEMS;電容式;加熱特性

濕度表征著大氣中的水分含量與干燥程度,在氣象研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活等方面對人們有著非常重要的意義[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步,人們對濕度測量的靈敏度、精確度以及響應(yīng)速度各方面的要求越來越高。濕度傳感器往往存在濕滯以及響應(yīng)速度慢的問題,常用的解決方案就是在傳感器結(jié)構(gòu)中增加加熱結(jié)構(gòu)。通過加熱,可以有效地改善傳感器的性能[2-7]。但是,對于這些傳感器的加熱特性,包括加熱過程以及加熱后片上的溫度分布,研究得并不是很多。而這些問題的研究對于優(yōu)化傳感器加熱電路,進(jìn)一步提高濕度傳感器性能具有非常重要的意義。

因此,本文提出了一種集成加熱結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器。針對電容式濕度傳感器的加熱特性問題,利用ANSYS軟件對傳感器進(jìn)行了分析,并利用紅外線熱成像技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在加熱與不加熱的條件下分別對傳感器的濕度特性與響應(yīng)特性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明,本文提出的電容式濕度傳感器,可以在加熱電路的加熱下,穩(wěn)定地達(dá)到較高溫度,且敏感電容區(qū)域溫度分布均勻;經(jīng)加熱后,傳感器的性能有明顯的提高。

1 傳感器設(shè)計(jì)

本文提出的電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在生長了二氧化硅絕緣層的硅襯底上有多晶硅加熱電阻,用于對傳感器敏感結(jié)構(gòu)加熱,改善傳感器的特性。以二氧化硅層絕緣并隔開后,在加熱電路上方有金屬叉指電容結(jié)構(gòu),并以鈍化層保護(hù)。金屬叉指電容與聚酰亞胺材料層組成了傳感器的濕度敏感結(jié)構(gòu)。最后在整個(gè)濕度敏感電容結(jié)構(gòu)上方,有一層通過電子束蒸發(fā)形成的金膜,將整個(gè)電容結(jié)構(gòu)區(qū)覆蓋在下方。金膜極薄,厚度約10 nm,且由于蒸發(fā)工藝原子間空隙較大,使水分子容易穿透金膜,對傳感器的響應(yīng)速度影響較小[8]。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 敏感結(jié)構(gòu)及其等效電路

如圖2(a)所示,由于金膜的存在,電場線被全部約束在了聚酰亞胺層的內(nèi)部,并形成了新的電容結(jié)構(gòu),使整個(gè)傳感器的敏感電容顯著增大。在將襯底接地以消除襯底寄生電容后,整個(gè)傳感器中的敏感結(jié)構(gòu)可以等效為如圖2(b)所示的等效電路?？梢钥吹?在等效電路中,表面金膜的寄生電阻RG被分成了若干部分,并互相并聯(lián)。因此,最終的寄生電阻為:

(1)

式中:RG為整塊金膜的電阻,RGequ為金膜在等效電路中引入的寄生電阻,n為傳感器結(jié)構(gòu)中的電容對數(shù)。對于叉指結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器,n很大,寄生電阻RG極小而可以忽略,由此可以得到簡化的等效電如圖2(c)所示[9]。

2 傳感器加熱特性分析

2.1 加熱特性仿真分析

傳感器結(jié)構(gòu)中,多晶硅加熱電阻的阻值為180 Ω,可在5 V的電壓信號下產(chǎn)生約139 mW的熱功率。為了達(dá)到較理想的加熱效果,我們希望傳感器能達(dá)到一個(gè)較高的溫度;同時(shí),整個(gè)敏感材料區(qū)都可以均勻加熱,對此,利用ANSYS軟件可以對傳感器加熱電路的加熱效果進(jìn)行分析。如圖3建立了本文提出的電容式濕度傳感器的三維實(shí)體模型,其中包括了PCB基板、硅襯底、二氧化硅絕緣層、多晶硅加熱電路、鋁電極、鈍化層以及聚酰亞胺材料層等結(jié)構(gòu)。

圖3 傳感器加熱特性仿真

施加5 V的加熱信號。根據(jù)多晶硅電阻的熱功率與熱生成率,由圖中可以看到,傳感器溫度由環(huán)境的20 ℃升高至50 ℃,整個(gè)傳感器片上最大溫差小于1 ℃,加熱電阻附近,即敏感結(jié)構(gòu)區(qū)域附近溫差小于0.3 ℃。溫度分布非常均勻。

2.2 紅外線熱成像分析

為了驗(yàn)證2.1中關(guān)于傳感器加熱電路的熱分析模型的正確性,并了解傳感器在實(shí)際工作中的溫度分布與加熱過程,本文使用了德國英福泰克(InfraTec)的VC HD I980紅外線熱成像系統(tǒng)對傳感器的加熱過程進(jìn)行了研究。

如圖4所示,利用紅外線熱成像技術(shù),可以得到反映了傳感器表面溫度及熱輻射強(qiáng)度的偽色彩圖像。為了了解傳感器實(shí)際的溫度場分布與加熱情況,本文選擇了如圖4(a)所示的5個(gè)測試點(diǎn),在紅外線熱成像拍攝后進(jìn)行了相關(guān)的分析研究。

測試點(diǎn)P1:位于傳感器邊緣位置的電容結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi);

測試點(diǎn)P2:位于兩個(gè)電容結(jié)構(gòu)區(qū)中間,靠近邊緣位置的電容結(jié)構(gòu)區(qū);

測試點(diǎn)P3:位于兩個(gè)電容結(jié)構(gòu)去中間,靠近中間位置的電容結(jié)構(gòu)區(qū);

測試點(diǎn)P4:位于傳感器中間位置的電容結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi);

測試點(diǎn)P5:位于傳感器邊緣位置的電容結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi),不同于P1的另一位置。

圖4 傳感器熱成像圖

圖5 傳感器上各測試點(diǎn)溫度變化過程

經(jīng)發(fā)射率修正并去除環(huán)境背景輻射干擾后[10],各測試點(diǎn)溫度變化過程如圖5所示。圖中縱坐標(biāo)T為測試點(diǎn)的溫度變化值。從圖中可以看到,在5 V電壓信號3 min的加熱后,測試點(diǎn)P1、P4與P5溫度分別上升了約34 ℃、32 ℃與30 ℃,測試點(diǎn)P2與P3也分別上升了30 ℃左右,即傳感器上電容結(jié)構(gòu)區(qū)及附近區(qū)域在此信號的加熱下均勻升溫了30 ℃左右,與ANSYS分析結(jié)果基本一致。此外,在加熱過程的剛開始的一段時(shí)間,溫度上升十分迅速。開始加熱5 s內(nèi),傳感器的溫度上升達(dá)10 ℃;隨后溫度的上升速度迅速降低,最終在3 min的時(shí)候熱溫差達(dá)到并基本穩(wěn)定在30 ℃。

3 測試分析

為了測試電容式濕度傳感器的性能,本文使用了溫濕度實(shí)驗(yàn)箱,在穩(wěn)定的溫度條件下對濕度特性及響應(yīng)特性進(jìn)行了測試。由于過度的加熱可能對敏感材料及傳感器的性能產(chǎn)生一些不良影響[11-12],在測試中,針對無加熱、持續(xù)加熱及間斷性加熱3種情況分別進(jìn)行了測試。

3.1 靜態(tài)特性

電容式濕度傳感器的濕度特性包括了靈敏度、回滯特性與線性度等許多重要參數(shù)。其中,靈敏度反映了傳感器對濕度變化的敏感程度,而回滯特性則表示了傳感器在濕度上升與下降過程中特性曲線的不重合度。對于濕度傳感器,需要有較高的靈敏度與較小的回滯。

在20 ℃的常溫條件下,本文對電容式濕度傳感器的濕度特性進(jìn)行了測試。測試中每10%RH進(jìn)行一次結(jié)果記錄。測試分別針對不加熱、以5 V電壓持續(xù)加熱、以5 V電壓脈沖加熱并冷卻后讀取3種不同條件進(jìn)行。

如圖6所示,當(dāng)不加熱時(shí),傳感器的靈敏度約為0.009 13 pF/%RH,特性曲線出現(xiàn)了較大的回滯(約0.12 pF);持續(xù)加熱時(shí),傳感器的回滯減小至0.005 pF,但靈敏度也出現(xiàn)了大幅的下降(≈0.002 30 pF/%rH);而采用5V電壓信號進(jìn)行脈沖加熱時(shí),特性曲線的最大回滯為0.025 pF,同時(shí)保持了較高的靈敏度,達(dá)到0.009 03 pF/%RH。

將測試環(huán)境溫度降至-30 ℃,不加熱及以5 V脈沖信號加熱條件下傳感器的濕度特性測試結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?經(jīng)加熱,傳感器在低溫下表現(xiàn)出了良好的靈敏度和線性度,且回滯較小。

3.2 動態(tài)特性

為了進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間的測試,本文搭建了如圖8(a)所示響應(yīng)時(shí)間測試裝置。如圖8(b)所示,首先操作溫濕度箱控制環(huán)境濕度達(dá)到10%RH,關(guān)閉密封倉,使密封倉內(nèi)傳感器周圍濕度保持10%RH;調(diào)整溫濕度箱使?jié)穸壬仙?0%RH,穩(wěn)定后迅速開啟密封倉。由此實(shí)現(xiàn)10%RH到90%RH的濕度突變。

圖8 響應(yīng)時(shí)間測試裝置及其使用過程

圖6 傳感器濕度特性測試

圖7 低溫環(huán)境濕度特性測試

利用以上裝置,本文對傳感器在不加熱與加熱兩種條件下的濕度響應(yīng)特性進(jìn)行了測試。為了便于分析,對測試結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理,結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?經(jīng)過加熱,傳感器的響應(yīng)時(shí)間由120.8 s減少至了75.2 s,響應(yīng)特性有了明顯的改進(jìn)。

圖9 響應(yīng)特性測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種集成加熱結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器。對傳感器的加熱特性進(jìn)行了仿真研究,并利用紅外線熱成像技術(shù)研究了傳感器的加熱過程與穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度分布。結(jié)果表明,傳感器可以達(dá)到較高的穩(wěn)定溫度,且敏感電容區(qū)附近溫度分布均勻。

針對不加熱、持續(xù)加熱及脈沖加熱3種條件下傳感器的濕度特性與響應(yīng)特性進(jìn)行了測試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在不加熱條件下,傳感器靈敏度0.009 13 pF/%RH,最大回滯0.12 pF;持續(xù)加熱時(shí),靈敏度0.002 30 pF%RH,最大回滯0.005 pF;脈沖加熱時(shí),靈敏度0.009 03 pF/%RH,最大回滯0.025 pF。經(jīng)過脈沖加熱,傳感器能在保持較高靈敏度的同時(shí)顯著地減小回滯;同時(shí)也縮短了響應(yīng)時(shí)間。此外,傳感器在-30 ℃低溫環(huán)境下測試,經(jīng)過加熱,濕度傳感器可以保持較高的靈敏度與較小的回滯,且線性度良好。由此,加熱后傳感器性能有了顯著提高。

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Studyof a Capacitive Humidity Sensor with an on-Chip Heater*

CHENWenhao,HUANGJianqiu*

(Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Heating characteristics of a capacitive humidity sensorwas studied. Simulation was carried out toanalysis the Steady state temperature distributions in the sensor. Theinfrared thermal imaging technologywas used to verify the simulation result of the FEM model. The results showed that the temperaturesin the sensor were increased about 30 ℃ with a heating signal of 5 V,and the variations of temperature in different locations wereless than 4 ℃ in the sensing area. Tests with heating and un-heating were both carried outfor comparison. Without heating,the sensitivity of the sensor was 0.009 13 pF/%RH,the hysteresis was 0.12 pF,and the response time was about 120.8 s;with a 5 V pulse heating signal,the sensitivity was 0.009 03 pF/%RH,the hysteresis was improved to 0.025 pF and response time wasimproved to 75.2 s. By comparison,it could be seen that the performance of the sensor was improved by heating.

humidity sensor;MEMS;capacitive;heating characteristic

陳文浩(1988-),男,博士研究生,主要從事MEMS濕度傳感器的研究,chenwhcn@163.com;

黃見秋(1981-),男,副研究員,主要從事CMOS MEMS、微型溫度傳感器、微型濕度傳感器、傳感器測試結(jié)構(gòu)等方面的研究,hjq@seu.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA040502)

2015-01-10 修改日期:2015-02-15

C:7320X

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.003

TP212.2

A

1004-1699(2015)03-0315-05