高空濕度探測用加熱式濕度傳感器的研制*

董　鵬，邊旭明，趙宏忠，林樹超，鄧　娟，黃曉杰，彭文武

（北京航天微電科技有限公司，北京100854）

高空濕度探測用加熱式濕度傳感器的研制*

董鵬*，邊旭明，趙宏忠，林樹超，鄧娟，黃曉杰，彭文武

（北京航天微電科技有限公司，北京100854）

為實(shí)現(xiàn)高空高濕環(huán)境下對(duì)濕度的準(zhǔn)確測量，本文設(shè)計(jì)和研究了集成加熱功能的濕度傳感器，在探空儀進(jìn)行高空濕度探過程中利用兩只加熱式濕度傳感器進(jìn)行輪流加熱除濕和濕度測量。通過對(duì)聚酰亞胺濕敏材料進(jìn)行改性和合成，設(shè)計(jì)和制作了加熱式的電容型濕度傳感器，其靈敏度為0.219 5 pF/%RH、響應(yīng)時(shí)間小于1 s、濕滯為4.8%RH、半年漂移量在±0.3%RH以內(nèi)。通過分析不同溫度下的加熱恢復(fù)時(shí)間，制定了加熱式濕度傳感器輪流工作的機(jī)制，輪流加熱時(shí)間和周期分別為2 s和120 s。并利用數(shù)據(jù)采集電路以及GPS探空儀對(duì)加熱式濕度傳感器進(jìn)行了地面靜態(tài)性能和高空動(dòng)態(tài)性能測試，其高空濕度探測結(jié)果與VA SALA RS92的顯示出較好的一致性和較低的濕度誤差。本文研制的加熱式濕度傳感器能具有良好的地面性能，實(shí)現(xiàn)了交替加熱除濕和濕度測量的功能，具有高空濕度探測的應(yīng)用潛力。

濕度傳感器；高空濕度探測；加熱式；濕敏電容

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.009

高空濕度探測是高空氣象觀測的基本測量值之一，為各種類型的天氣預(yù)報(bào)以及環(huán)境監(jiān)測提供最基本的大氣濕度信息。高空濕度的測量一直是氣象觀測的一個(gè)難點(diǎn)，嚴(yán)重的影響著氣象觀測技術(shù)的發(fā)展。濕度傳感器是探空儀測量高空濕度的關(guān)鍵部分，也是我國氣象觀測中的瓶頸技術(shù)之一。高空濕度探測用濕度傳感器通常要求具有響應(yīng)快速、全濕度量程、溫度范圍寬、小型化以及低成本等特點(diǎn)。濕度傳感器按工作原理和濕敏材料類型有多種分類［1-2］，其中聚合物電容式濕度傳感器具有以上特點(diǎn)，是濕度傳感器研究和發(fā)展的主要方向［3，4］。用作濕敏材料的聚合物主要有醋酸纖維、聚苯乙烯和聚酰亞胺。其中，聚酰亞胺以其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、耐輻射性、化學(xué)穩(wěn)定性、介電性能和力學(xué)性能，以及與半導(dǎo)體IC工藝兼容等特點(diǎn)，成為聚合物濕度傳感器濕敏材料的研究熱點(diǎn)之一［5-6］。

然而，在高空濕度探測過程中，低溫空氣中的水蒸氣容易在濕度傳感器的表面發(fā)生凝結(jié)，遇到云、雨等高濕環(huán)境時(shí)還容易在低溫條件下發(fā)生結(jié)冰霜現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了濕度探測的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確度［7］。針對(duì)這一問題，近年來國內(nèi)外研究人員紛紛報(bào)道了集成加熱功能的濕度傳感器，避免了表面冰霜的凝結(jié)，降低了濕度漂移，并提高了響應(yīng)速率。例如，Kang等人報(bào)道了集成有多晶硅加熱電路的聚酰亞胺柱陣列式濕度傳感器［1］；金、Shi和Gu等人分別報(bào)道了采用MEMS或COMS技術(shù)制作的集成加熱電路的濕度傳感器［7-10］；而芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的RS92型探空儀采用加熱式濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了1 s的響應(yīng)時(shí)間、5%RH的不確定度，是目前國際上高空濕度探測的領(lǐng)先水平［11-13］。目前，國內(nèi)氣象業(yè)務(wù)用探空儀仍以電阻式濕度傳感器為主，而在電容式濕度傳感器方面與國際先進(jìn)水平仍存在較大差距［14］。

因此，本文基于合成的改性聚酰亞胺濕度敏感材料，采用平面半導(dǎo)體工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了具有蛇形加熱電阻的加熱式濕度傳感器及其數(shù)據(jù)采集和控制電路，采用兩只加熱式濕度傳感器輪流交替進(jìn)行加熱除濕和濕度測量。通過靜態(tài)性能的測試與分析，加熱式濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于1 s、靈敏度0.219 5 pF/%RH、線性度和長期穩(wěn)定性均良好。通過與芬蘭VAISALA RS92型和國產(chǎn)GTS1型探空儀型進(jìn)行同球放飛對(duì)比，本文研究制備的加熱式濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了交替加熱和濕度測量的功能，在整個(gè)濕度范圍能快速響應(yīng)高空濕度的變化，顯示出良好的高空探測性能。

1　加熱式濕度傳感器的制備

1.1聚酰亞胺濕敏材料的改性與合成

目前，已報(bào)道的聚酰亞胺電容式濕度傳感器仍然存在響應(yīng)時(shí)間過慢、線性度差以及水分子凝聚導(dǎo)致濕滯等問題［15-17］。為了降低濕度傳感器對(duì)水分子的吸附和脫附時(shí)間，防止水分子的凝聚，提高響應(yīng)速度，本文在聚酰胺酸（聚酰亞胺的預(yù)聚物）的合成過程中，設(shè)計(jì)合成了疏水性結(jié)構(gòu)的高分子骨架，側(cè)基為弱極性官能團(tuán)醚鍵（—O—）和羰基（—CO—）等，其親水性較弱，水分子吸附量少，吸附的水分子在膜中可以近似單獨(dú)存在，不易發(fā)生水分子凝聚。同時(shí)引入了含氟基團(tuán)（—CF3），氟基的基團(tuán)體積大，空間位阻效應(yīng)大，從而導(dǎo)致合成的大分子的堆砌密度低，有利于水分子的通過，因此含氟的聚酰亞胺薄膜可以快速的吸附和脫出環(huán)境中的水分子，響應(yīng)速度快，濕度靈敏性好［17，18］。含氟聚酰胺酸的合成是采用4，4′-（六氟異丙烯）二酞酸酐、均苯四甲酸二酐和4，4′-二氨基二苯醚在N，N′-二甲基乙酰胺溶液中進(jìn)行合成的。在濕度傳感器的制作過程中，聚酰胺酸通過在100℃～300℃下進(jìn)行梯度高溫亞胺化，最終獲得感濕性能良好的聚酰亞胺感濕層。

1.2加熱式濕度傳感器的設(shè)計(jì)和制作

加熱式濕度傳感器的設(shè)計(jì)，如圖1所示，為三明治結(jié)構(gòu)的電容型濕度傳感器。濕度傳感器的下電極為平板金屬電極。中間層為合成的改性聚酰亞胺濕度敏感材料，當(dāng)聚酰亞胺吸附空氣中的水分子變化時(shí)，其介電系數(shù)將發(fā)生變化，濕敏容值也將隨之發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中濕度的測量?？紤]聚酰亞胺吸濕和脫濕效率，并具有相對(duì)高的靈敏度，其厚度應(yīng)盡量小，本文的聚酰亞胺厚度選擇為300 nm～500 nm。上電極采用微米級(jí)正方形柵格結(jié)構(gòu)以提高吸附和脫附水分子的速率。起加熱除濕作用的金屬Pt電阻采用蛇形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［8-9］，阻值約20 Ω，分布在下電極的周圍，以獲得良好的加熱效果。同時(shí)，為了提高加熱和散熱效率，減小停止加熱后的恢復(fù)時(shí)間以保證濕度探測的精度，一方面將聚酰亞胺感濕層擴(kuò)展至加熱電路上，其次將濕度傳感器的三維尺寸縮小，尺寸為3.4 mm×2.7 mm，基片為厚度為0.25 mm的石英基片。

圖1　加熱式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

加熱式濕度傳感器的制作采用平面半導(dǎo)體工藝制作完成，如圖1的截面示意圖所示。首先，在石英基片上，分別濺射350 nm NiCr/Au下電極和600 nm NiCr/Pt加熱電路。然后，旋涂厚度約為400 nm的聚酰胺酸，并通過光刻工藝形成所需要的敏感區(qū)圖形，在100℃～300℃范圍內(nèi)對(duì)聚酰胺酸進(jìn)行梯度加熱，以使其徹底亞胺化，形成聚酰亞胺感濕層。再采用電子束蒸發(fā)和光刻工藝形成厚度為10 nm的柵格結(jié)構(gòu)Al上電極。最后制作加厚電極，以便于電極引出。

2　濕度傳感器的靜態(tài)性能測試與討論

2.1濕度傳感器的感濕性能

通過對(duì)2英寸基片上的加熱式濕度傳感器在室內(nèi)環(huán)境下（溫度約為25℃，濕度約為30%RH），進(jìn)行點(diǎn)測統(tǒng)計(jì)，濕敏容值在55 pF～70 pF范圍內(nèi)呈正態(tài)分布，加熱電阻值為（20±1）Ω，說明工藝的均勻性和一致性較好。

濕度傳感器的感濕特性采用英國Rotronic公司的分流法濕度發(fā)生器進(jìn)行測試，溫度設(shè)為25℃，在升濕過程中，濕度依次穩(wěn)定在5%RH、20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH和92% RH的濕度點(diǎn)下進(jìn)行濕敏容值的采集。如圖2所示的升濕曲線為該濕度傳感器在升濕過程中測得的感濕特性曲線（濕度—容值關(guān)系曲線），由擬合曲線得到其非線性度誤差僅為1.4%，靈敏度為0.219 5 pF/%RH。為了獲得濕度傳感器的濕滯情況，將濕度連續(xù)由5%RH升到92%RH再降回到5%RH的過程中采集電容值，結(jié)果如圖2所示所示的升濕和降濕曲線，其濕滯為4.8%RH（在濕度為53%RH時(shí)）。

圖2　濕度傳感器的感濕特性和遲滯曲線（25℃）

2.2濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間

濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間測試采用分流法濕度發(fā)生器，將其溫度和濕度分別設(shè)為25℃和90%RH，將濕度傳感器由環(huán)境濕度（濕度約為20%RH）迅速進(jìn)出濕度發(fā)生器，并穩(wěn)定一段時(shí)間，記錄整個(gè)過程中電容值變化，電容值每0.3 s記錄一次。如圖3所示為測試的響應(yīng)時(shí)間曲線?？梢钥闯?，吸濕和脫濕時(shí)的電容值躍遷曲線陡峭，且能在低濕和高濕保持電容值的穩(wěn)定，進(jìn)出于環(huán)境濕度和高濕環(huán)境的吸濕和脫濕均能在1 s內(nèi)完成，而電容值變化63.2%時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為0.3 s。

圖3　濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間曲線（25℃）

2.3濕度傳感器的長期穩(wěn)定性

圖4為20只加熱式濕度傳感器經(jīng)過連續(xù)6個(gè)月的濕度平均漂移情況，以首次測試值為參考，測試濕度點(diǎn)分別為8%RH、25%RH、55%RH、75%RH和92%RH，濕度傳感器的老化環(huán)境為室內(nèi)常溫常濕環(huán)境?？梢钥闯?，在6個(gè)月的測量中，各濕度點(diǎn)平均濕度漂移均小于±3%RH，沒有明顯的隨時(shí)間延長而濕度漂移增大的趨勢。結(jié)果顯示出該加熱式濕度傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性。

圖4　濕度傳感器的穩(wěn)定性曲線

2.4濕度傳感器的加熱特性測試

加熱式濕度傳感器通過加熱電阻進(jìn)行加熱使其溫度快速上升，從而達(dá)到加熱除濕的效果。為了保證濕度的測量精度，加熱和恢復(fù)時(shí)間均需要在較短的時(shí)間內(nèi)完成。圖5為在不同環(huán)境溫度下對(duì)加熱電阻施加5 V電壓，加熱2 s，并通過測量電路采集其電容值的變化情況。插圖是環(huán)境溫度為20℃時(shí)兩只濕度傳感器加熱前后電容值隨時(shí)間的變化曲線，兩只加熱式濕度傳感器加熱后，其電容值迅速降低，表明2 s加熱后芯片溫度即可迅速升高從而達(dá)到除濕的效果，而停止加熱后約8 s內(nèi)即可恢復(fù)至加熱前的容值。

為獲得在不同環(huán)境溫度下的濕度傳感器加熱后的恢復(fù)情況，分別在20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃和-30℃時(shí)采集濕度傳感器加熱后的恢復(fù)時(shí)間，結(jié)果如圖5所示，并對(duì)進(jìn)行曲線擬合曲線，擬合方程為：

其中，tT為恢復(fù)時(shí)間，T為環(huán)境溫度。可以看出，隨著環(huán)境溫度降低，加熱后濕敏容值的恢復(fù)時(shí)間呈指數(shù)形式增加。

因此，為保證兩只加熱式濕度傳感器交替濕度測量的連續(xù)性，并考慮-30℃以下恢復(fù)時(shí)間指數(shù)增加，將濕度傳感器的加熱條件設(shè)定為：環(huán)境溫度在-30℃以上的兩只濕度傳感器交替加熱，其加熱時(shí)間和周期分別為2 s和120 s；而-30℃以下停止對(duì)濕度傳感器進(jìn)行加熱。

圖5　不同環(huán)境溫度下的加熱恢復(fù)時(shí)間曲線

3　濕度傳感器的動(dòng)態(tài)性能測試與討論

3.1動(dòng)態(tài)測試硬件總體設(shè)計(jì)

本文采用兩只加熱式濕度傳感器交替進(jìn)行濕度測量的模式，設(shè)計(jì)了的雙加熱濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集和交替加熱的控制電路，兩只加熱式濕敏濕度傳感器安裝在采集電路的支架版上，并安裝到GPS探空儀載體上進(jìn)行高空濕度探測，濕度輸出頻率為1次/s，其系統(tǒng)整體硬件框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖7所示為雙加熱式濕度傳感器數(shù)據(jù)采集和加熱控制電路的設(shè)計(jì)圖和GPS探空儀的實(shí)物照。

圖6　探空儀系統(tǒng)總體框架圖

圖7　加熱式濕度傳感器數(shù)據(jù)采集和加熱控制電路板設(shè)計(jì)圖與探空儀實(shí)物圖

3.2動(dòng)態(tài)測試結(jié)果與分析

本文中的濕度傳感器首先通過采用雙壓法濕度發(fā)生器，并以高精度露點(diǎn)儀MBW LHX373作為濕度參考，對(duì)-60℃～50℃進(jìn)行溫度分段，在每個(gè)溫度點(diǎn)選取10%RH，25%RH，55%RH，80%RH，95%RH的濕度進(jìn)行標(biāo)定。從而建立起溫度、濕度和濕敏容值的三維對(duì)應(yīng)表。當(dāng)探空儀進(jìn)行高空濕度測量時(shí)，根據(jù)測得的濕敏容值和環(huán)境溫度，通過查表插值得到實(shí)際的濕度值。

為驗(yàn)證雙加熱濕度傳感器的實(shí)際探空性能，將安裝雙加熱濕度傳感器的探空儀與芬蘭VAISALA的 RS92型和國產(chǎn) L波段 GTS1型探空儀使用1.6 kg氣球進(jìn)行同球探空對(duì)比。

雙加熱式濕度傳感器的動(dòng)態(tài)測試結(jié)果如圖8所示（3 000 s時(shí)上升高度為15.6 km），圖8（a）顯示出兩只加熱式濕度傳感器在-30℃以上實(shí)現(xiàn)了多次理想的交替加熱除濕的效果。不考慮兩只加熱式濕度傳感器的加熱和恢復(fù)階段，兩只加熱式濕度傳感器的濕度曲線變化相符，濕度偏差在5%RH以內(nèi)，表明兩只傳感器的一致性較好，而且可通過進(jìn)行動(dòng)態(tài)放飛前基測進(jìn)一步消除兩只加熱式濕度傳感器的濕度偏差。圖8（b）為去除兩只傳感器的加熱過程后得到的濕度測量曲線的對(duì)比圖，加熱式濕度傳感器與對(duì)比探空儀均顯示出了明顯的出云和入云變化，該雙加熱式濕度傳感器與VAISALA RS92在整個(gè)測量過程中保持較為一致的濕度探測趨勢，幾乎同步發(fā)生濕度階躍，而GTS1探空儀在最后低溫階段（～-30℃以下）出現(xiàn)了較大的濕度滯后現(xiàn)象，未能響應(yīng)實(shí)際濕度的變化，因此加熱式電容型濕度傳感器在低溫低濕階段顯示出明顯優(yōu)勢。圖8（c）和8（d）為該加熱式濕度傳感器的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差（以VAISALA RS92型探空儀的測量值為標(biāo)準(zhǔn)，以120 s為周期進(jìn)行分段），可以看出在第一個(gè)高濕區(qū)域和濕度最終下降階段，系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差偏高，系統(tǒng)誤差最高為6.1%RH，標(biāo)準(zhǔn)差最高為7.3%RH；而在其他階段系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差較小，系統(tǒng)誤差在±5%RH以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差小于5%RH。通過降低濕度傳感器常溫和低溫標(biāo)校誤差、降低濕滯、優(yōu)化加熱過程以及進(jìn)行動(dòng)態(tài)放飛前的基測，可進(jìn)一步降低雙加熱式濕度傳感器的濕度誤差。

圖8　加熱式濕度傳感器與VAISALA RS92和GTS1型探空儀的同球動(dòng)態(tài)探空比對(duì)曲線

4　結(jié)論

通過本文的研究，該加熱式濕度傳感器具有設(shè)計(jì)和工藝簡單、成本低、響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、線性度好和長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)；且實(shí)現(xiàn)了兩只加熱式傳感器輪流進(jìn)行加熱除濕和濕度測量的功能。通過與芬蘭VAISALA的RS92型和國產(chǎn)L波段GTS1型探空儀的動(dòng)態(tài)測試比對(duì)，濕度探測性能已經(jīng)達(dá)到了與VAISALA RS92相比較的水平，在濕度響應(yīng)速度、濕度誤差和探測曲線等方面達(dá)到了理想的效果，而相比我國GTS1型探空儀則展現(xiàn)出了優(yōu)勢。因此，該加熱式濕度傳感器在高空氣象探測領(lǐng)域具有出較大的應(yīng)用潛力。

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董鵬（1987-），男，山東日照人，博士，工程師，主要從事MEMS技術(shù)及傳感器等方面的研究，dongpeng@semi.ac.cn。

Research and Fabrication of the Heater Integrated Humidity Sensor for the Radiosonde Humidity Sounding*

DONG Peng*，BIAN Xiuming，ZHAO Hongzhong，LIN Shuchao，DENG Juan，HUNG Xiaojie，PENG Wenwu
（Beijing Aerospace Micro-Electronics Technology Co.，Ltd.，Beijing 100854，China）

In order to realize the accurate humidity measurement in the high altitude environment，the heater integrated humidity sensor is developed and investigated.This humidity sensor is used in the radiosonde humidity sounding by two heating-type humidity sensors'alternate heating dehumidification and humidity measurement.This paper reports the design and fabrication of the on-chip heating-type capacitive humidity sensor based on modified synthesis of the polyimide humidity sensitive materials.The ground experimental results indicate that the sensitivity is 0.219 5 pF/%RH，the response time is less than 1 s，the humidity hysteresis is about 4.8%RH，and the humidity drift in six months is less than±0.3%RH.By analyzing the recovering time under different temperature，the working mechanism of two humidity sensors'alternate heating is formulated.The formulated heating time and period are 2 s and 120 s，respectively.It investigates the ground and sounding performance of heating-type humidity sensor by using the data acquisition circuit and GPS radiosonde，and the humidity sounding result is well in line with that of VAISALA RS92.In conclusion，the heating-type humidity sensor has good ground performance，achieves alternate heating dehumidification and humidity measurement，and has a good potential in radiosonde humidity sounding.

humidity sensor；radiosonde humidity sounding；heating-type；humidity sensitive capacitor

TP212

A

1004-1699（2016）07-1000-06

項(xiàng)目來源：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目（GYHY201106040）

2016-03-21修改日期：2016-04-27