聚酰亞胺MOSFET濕度傳感器研究*

廖 榮， 李 蓓， 張振杰， 李宇威

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641)

聚酰亞胺MOSFET濕度傳感器研究*

廖 榮， 李 蓓， 張振杰， 李宇威

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641)

將聚酰亞胺(PI)薄膜制作在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)的柵極上，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時，將引起PI吸濕量的變化，電容量改變，據(jù)此可制成濕度傳感器件，測試結(jié)果顯示:該濕度傳感器具有明顯的濕度敏感特性。

聚酰亞胺(PI)； 濕度傳感器； 半導(dǎo)體平面工藝； 擴展柵極結(jié)構(gòu)； 相對濕度

0 引 言

聚酰亞胺(polyimide,PI)是一種性能優(yōu)越的高分子聚合物，也是一種很好的感濕材料，其薄膜的制備過程完全可與半導(dǎo)體平面工藝相兼容；而金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件由于具有輸入阻抗高、內(nèi)部噪聲小、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已逐漸成為敏感元件與信號處理電路之間實現(xiàn)阻抗變換功能的首選單元[1]。PI充分利用了MOSFET器件的優(yōu)勢，適應(yīng)了傳感器微型化、集成化、低成本的發(fā)展需求，是一種重要的開發(fā)研究方向。

水是一種極性電介質(zhì)，室溫時介電常數(shù)為80。水分子為強極性分子，很容易被材料的極性表面吸附。PI涂敷在二氧化硅(SiO2)表面形成薄膜后帶有負電荷。當(dāng)水分子濃度在空間變化時，該膜吸附水分子數(shù)量也相應(yīng)變化。PI本身的介電常數(shù)很小(3.2～4)，當(dāng)水被PI吸附后引入了強極性分子，在外電場的作用下發(fā)生了偶極取向極化，使感濕膜的偶極距增加。在外場一定的情況下，這個增量與吸附水分子數(shù)量有對應(yīng)關(guān)系，即濕度越大，水偶極子越多，宏觀上表現(xiàn)為介電常數(shù)增大[2]。

1 樣品的制備

使用如圖1所示的PI MOSFET結(jié)構(gòu)研制開發(fā)了濕度傳感器，具有向外延伸的擴展柵極，感濕PI膠膜覆蓋在柵極擴展部分上的結(jié)構(gòu)特點。

圖1 PI MOSFET結(jié)構(gòu)

為了提高器件接收信息的靈敏度，采取擴大薄膜的感應(yīng)區(qū)面積,擴展柵部分充當(dāng)MOSFET的信息收集器，并將收集到的信號耦合至MOS管的柵極，從而有效地完成阻抗變換，并將初步放大的信號送至后續(xù)電路。表1為MOS-FET的主要參數(shù)指標(biāo)，表2為PI MOSFET管基本尺寸與參數(shù)。

表1 MOSFET的主要參數(shù)指標(biāo)

表2 PI MOSFET管基本尺寸與參數(shù)

經(jīng)過半導(dǎo)體平面制作工藝氧化、光刻、磷擴散、蒸鋁及旋涂PI膜等后，制備成PI MOSFET濕度傳感器[3]。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器電壓傳輸特性

為保證傳感器件工作在線性放大區(qū)，對傳感部件中的各個單元進行電壓傳輸特性的檢測，頻率選擇在200 kHz，濕度分別為75.5 %RH及93.2 %RH,從示波器上直接讀取輸出電壓值,其典型的測試結(jié)果如圖2所示，輸入信號vi與輸出信號vo的線性關(guān)系好，說明該傳感器單元工作狀態(tài)良好，并且處于線性放大區(qū)[4]。

圖2 PI MOSFET電壓傳輸特性曲線

2.2 傳感器頻響特性

傳感器的頻響特性曲線如圖3，在輸入電壓幅度相同的條件下，輸出信號與頻率呈單調(diào)增加的關(guān)系。在頻率10 kHz以下及800 kHz以上，輸出信號的變化較為平緩，這與理論分析的結(jié)果一致。在實際使用時,頻率取200 kHz～1 MHz最適宜，器件的靈敏度較大[5]。

圖3 PI MOSFET頻響特性曲線

2.3 傳感器單元擴展柵部電容濕敏特性

圖4 傳感器單元擴展柵部電容濕敏特性曲線

2.4 傳感器濕敏特性

傳感器的濕敏特性曲線如圖5，該曲線顯示的敏感特性也分為2部分，低濕和高濕時的變化不同，與電容特性曲線一致，其機理同上，但明顯較圖4的線性有所改善。這通過公式輸出電壓vo=RL·iR=viRLgm/(1+Ci/Cp)可以看出[9]，即適當(dāng)增加感濕膜的厚度，如增加1倍，將使線性度得到進一步的提高。

3 結(jié) 論

通過實驗，證明了所確定的工藝和條件是合理和有效的，解決了工藝流程中出現(xiàn)的具體問題。經(jīng)過對PI MOSFET傳感器的測試表明:該結(jié)構(gòu)對濕度具有明顯的濕度敏感特性[10],擴展柵型MOSFET結(jié)構(gòu)設(shè)計具有廣泛的應(yīng)用價值。

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Research on PI MOSFET humidity sensor*

LIAO Rong， LI Bei， ZHANG Zhen-jie， LI Yu-wei

(School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510641,China)

Polyimide(PI)film is produced on the grid electrode of metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET),when humidity changes,it will cause the change of PI moisture content,that is,the capacitance change,accordingly humidity sensors can be manufactured,the test results show the humidity sensor has obvious characteristics of humidity sensitive.

polyimide (PI); humidity sensor; semiconductor planar process; extended grid electrode structure; relative humidity

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0032—02

2016—09—19

2015中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費本科生自主選題項目(10561201511)；華南理工大學(xué)第一批“探索性實驗”教學(xué)項目(X2dX—Y1140610)

G 642

A

1000—9787(2017)09—0032—02

廖 榮(1970-)，男，通訊作者，博士，工程師，長期從事微電子器件教學(xué)與研究工作,E—mail:liaorong@scut.edu.cn。