片上加热电容式湿度传感器研究*

陈文浩,黄见秋

(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)



片上加热电容式湿度传感器研究*

陈文浩,黄见秋*

(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)

提出了一种集成加热结构的电容式湿度传感器结构。对传感器的稳态加热特性进行了分析,并利用红外线热成像技术对传感器加热过程以及稳态温度响应进行了研究。在5 V电压信号的加热下,传感器温度上升约30 ℃,且温度分布均匀,传感器敏感区域温差<4 ℃。在加热与不加热条件下,分别对传感器的湿度敏感特性与响应时间特性进行了测试。不加热时,传感器的灵敏度为0.009 13 pF/%rH,回滞≈0.12 pF,响应时间约120.8 s;以5 V脉冲信号加热后,传感器灵敏度为0.009 03 pF/%rH,最大回滞≈0.025 pF,响应时间约75.2 s。加热后传感器性能有了显著提高。

湿度传感器;MEMS;电容式;加热特性

湿度表征着大气中的水分含量与干燥程度,在气象研究、工农业生产以及日常生活等方面对人们有着非常重要的意义[1]。随着技术的进步,人们对湿度测量的灵敏度、精确度以及响应速度各方面的要求越来越高。湿度传感器往往存在湿滞以及响应速度慢的问题,常用的解决方案就是在传感器结构中增加加热结构。通过加热,可以有效地改善传感器的性能[2-7]。但是,对于这些传感器的加热特性,包括加热过程以及加热后片上的温度分布,研究得并不是很多。而这些问题的研究对于优化传感器加热电路,进一步提高湿度传感器性能具有非常重要的意义。

因此,本文提出了一种集成加热结构的电容式湿度传感器。针对电容式湿度传感器的加热特性问题,利用ANSYS软件对传感器进行了分析,并利用红外线热成像技术进行了实验研究。在加热与不加热的条件下分别对传感器的湿度特性与响应特性进行了测试。结果表明,本文提出的电容式湿度传感器,可以在加热电路的加热下,稳定地达到较高温度,且敏感电容区域温度分布均匀;经加热后,传感器的性能有明显的提高。

1 传感器设计

本文提出的电容式湿度传感器结构如图1所示。在生长了二氧化硅绝缘层的硅衬底上有多晶硅加热电阻,用于对传感器敏感结构加热,改善传感器的特性。以二氧化硅层绝缘并隔开后,在加热电路上方有金属叉指电容结构,并以钝化层保护。金属叉指电容与聚酰亚胺材料层组成了传感器的湿度敏感结构。最后在整个湿度敏感电容结构上方,有一层通过电子束蒸发形成的金膜,将整个电容结构区覆盖在下方。金膜极薄,厚度约10 nm,且由于蒸发工艺原子间空隙较大,使水分子容易穿透金膜,对传感器的响应速度影响较小[8]。

图1 传感器结构示意图

图2 敏感结构及其等效电路

如图2(a)所示,由于金膜的存在,电场线被全部约束在了聚酰亚胺层的内部,并形成了新的电容结构,使整个传感器的敏感电容显著增大。在将衬底接地以消除衬底寄生电容后,整个传感器中的敏感结构可以等效为如图2(b)所示的等效电路。可以看到,在等效电路中,表面金膜的寄生电阻RG被分成了若干部分,并互相并联。因此,最终的寄生电阻为:

(1)

式中:RG为整块金膜的电阻,RGequ为金膜在等效电路中引入的寄生电阻,n为传感器结构中的电容对数。对于叉指结构的电容式湿度传感器,n很大,寄生电阻RG极小而可以忽略,由此可以得到简化的等效电如图2(c)所示[9]。

2 传感器加热特性分析

2.1 加热特性仿真分析

传感器结构中,多晶硅加热电阻的阻值为180 Ω,可在5 V的电压信号下产生约139 mW的热功率。为了达到较理想的加热效果,我们希望传感器能达到一个较高的温度;同时,整个敏感材料区都可以均匀加热,对此,利用ANSYS软件可以对传感器加热电路的加热效果进行分析。如图3建立了本文提出的电容式湿度传感器的三维实体模型,其中包括了PCB基板、硅衬底、二氧化硅绝缘层、多晶硅加热电路、铝电极、钝化层以及聚酰亚胺材料层等结构。

图3 传感器加热特性仿真

施加5 V的加热信号。根据多晶硅电阻的热功率与热生成率,由图中可以看到,传感器温度由环境的20 ℃升高至50 ℃,整个传感器片上最大温差小于1 ℃,加热电阻附近,即敏感结构区域附近温差小于0.3 ℃。温度分布非常均匀。

2.2 红外线热成像分析

为了验证2.1中关于传感器加热电路的热分析模型的正确性,并了解传感器在实际工作中的温度分布与加热过程,本文使用了德国英福泰克(InfraTec)的VC HD I980红外线热成像系统对传感器的加热过程进行了研究。

如图4所示,利用红外线热成像技术,可以得到反映了传感器表面温度及热辐射强度的伪色彩图像。为了了解传感器实际的温度场分布与加热情况,本文选择了如图4(a)所示的5个测试点,在红外线热成像拍摄后进行了相关的分析研究。

测试点P1:位于传感器边缘位置的电容结构区内;

测试点P2:位于两个电容结构区中间,靠近边缘位置的电容结构区;

测试点P3:位于两个电容结构去中间,靠近中间位置的电容结构区;

测试点P4:位于传感器中间位置的电容结构区内;

测试点P5:位于传感器边缘位置的电容结构区内,不同于P1的另一位置。

图4 传感器热成像图

图5 传感器上各测试点温度变化过程

经发射率修正并去除环境背景辐射干扰后[10],各测试点温度变化过程如图5所示。图中纵坐标T为测试点的温度变化值。从图中可以看到,在5 V电压信号3 min的加热后,测试点P1、P4与P5温度分别上升了约34 ℃、32 ℃与30 ℃,测试点P2与P3也分别上升了30 ℃左右,即传感器上电容结构区及附近区域在此信号的加热下均匀升温了30 ℃左右,与ANSYS分析结果基本一致。此外,在加热过程的刚开始的一段时间,温度上升十分迅速。开始加热5 s内,传感器的温度上升达10 ℃;随后温度的上升速度迅速降低,最终在3 min的时候热温差达到并基本稳定在30 ℃。

3 测试分析

为了测试电容式湿度传感器的性能,本文使用了温湿度实验箱,在稳定的温度条件下对湿度特性及响应特性进行了测试。由于过度的加热可能对敏感材料及传感器的性能产生一些不良影响[11-12],在测试中,针对无加热、持续加热及间断性加热3种情况分别进行了测试。

3.1 静态特性

电容式湿度传感器的湿度特性包括了灵敏度、回滞特性与线性度等许多重要参数。其中,灵敏度反映了传感器对湿度变化的敏感程度,而回滞特性则表示了传感器在湿度上升与下降过程中特性曲线的不重合度。对于湿度传感器,需要有较高的灵敏度与较小的回滞。

在20 ℃的常温条件下,本文对电容式湿度传感器的湿度特性进行了测试。测试中每10%RH进行一次结果记录。测试分别针对不加热、以5 V电压持续加热、以5 V电压脉冲加热并冷却后读取3种不同条件进行。

如图6所示,当不加热时,传感器的灵敏度约为0.009 13 pF/%RH,特性曲线出现了较大的回滞(约0.12 pF);持续加热时,传感器的回滞减小至0.005 pF,但灵敏度也出现了大幅的下降(≈0.002 30 pF/%rH);而采用5V电压信号进行脉冲加热时,特性曲线的最大回滞为0.025 pF,同时保持了较高的灵敏度,达到0.009 03 pF/%RH。

将测试环境温度降至-30 ℃,不加热及以5 V脉冲信号加热条件下传感器的湿度特性测试结果如图7所示。可以看到,经加热,传感器在低温下表现出了良好的灵敏度和线性度,且回滞较小。

3.2 动态特性

为了进行响应时间的测试,本文搭建了如图8(a)所示响应时间测试装置。如图8(b)所示,首先操作温湿度箱控制环境湿度达到10%RH,关闭密封仓,使密封仓内传感器周围湿度保持10%RH;调整温湿度箱使湿度上升至90%RH,稳定后迅速开启密封仓。由此实现10%RH到90%RH的湿度突变。

图8 响应时间测试装置及其使用过程

图6 传感器湿度特性测试

图7 低温环境湿度特性测试

利用以上装置,本文对传感器在不加热与加热两种条件下的湿度响应特性进行了测试。为了便于分析,对测试结果进行了归一化处理,结果如图9所示。可以看到,经过加热,传感器的响应时间由120.8 s减少至了75.2 s,响应特性有了明显的改进。

图9 响应特性测试结果

4 结论

本文提出了一种集成加热结构的电容式湿度传感器。对传感器的加热特性进行了仿真研究,并利用红外线热成像技术研究了传感器的加热过程与稳定状态下的温度分布。结果表明,传感器可以达到较高的稳定温度,且敏感电容区附近温度分布均匀。

针对不加热、持续加热及脉冲加热3种条件下传感器的湿度特性与响应特性进行了测试。根据实验结果,在不加热条件下,传感器灵敏度0.009 13 pF/%RH,最大回滞0.12 pF;持续加热时,灵敏度0.002 30 pF%RH,最大回滞0.005 pF;脉冲加热时,灵敏度0.009 03 pF/%RH,最大回滞0.025 pF。经过脉冲加热,传感器能在保持较高灵敏度的同时显著地减小回滞;同时也缩短了响应时间。此外,传感器在-30 ℃低温环境下测试,经过加热,湿度传感器可以保持较高的灵敏度与较小的回滞,且线性度良好。由此,加热后传感器性能有了显著提高。

[1]Chen Zhi,Lu Chi. Humidity Sensors:A Review of Materials and Mechanisms[J]. Sensor Letters,2005(3):274-295.

[2]Dai Chingliang. A Capacitive Humidity Sensor Integrated with Micro Heater and Ringoscillator Circuit Fabricated by CMOS-MEMS Technique[J]. Sensors and Actuators B,2007,122(1):375-380.

[3]Zhao Chenglong,Qin Ming. A Fully Packaged CMOS Interdigital Capacitive Humidity Sensor with Polysilicon Heaters[J]. IEEE Sensors Journal,2011,11(11):2986-2992.

[4]Luo Yia,Yang Kuna,Shi Yunbo. Research of Radiosonde Humidity Sensor with Temperature Compensation Function and Experimental Verification[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2014,218:49-59.

[5]王洋,王晓蕾,李萍,等. 温度和风速对湿度传感器动态特性的影响[J]. 气象科技,2012,40(6):910-913.

[6]Zhang Jiangang,Fang Zhen,GengDaoqu,et al. A Novel Humidity Sensor with a Constant Temperature Measurement Mechanism[C]//IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems(NEMS),Kaohsiung:IEEE,2011:980-983.

[7]Kim Youngdeuk,Jung Bongbu,Lee Hunkee,et al. Capacitive Humidity Sensor Design Based on Anodic Aluminum Oxide[J]. Sensors and Actuators B,2009,141(2):441-446.

[8]陈荣发. 电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究[J]. 真空,2003(2):11-15.

[9]Huang Jianqiu,Chen Wenhao,Zhu Dongping,et al. A CMOS Interdigital Capacitive Hhumidity Sensor Enhanced by a Multi-Layered Structure[C]//IEEE Sensors Conference,Valencia:IEEE,2014:1459-1462.

[10]杨世铭,陶文铨. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社,2006:351-379.

[11]刘清倦,杨杰,杨荣康,等. 双加热湿度传感器的CFD分析与加热策略设计[J]. 传感技术学报,2012,25(8):1039-1044.

[12]Bjorkqvist M,Paski J,Salonen J. Hysteresis Reduction by Heating the Thermally-Carbonized Porous Silicon Humidity Sensor[C]//IEEE Sensors Conference,IEEE,2004:716-717.

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

陈文浩(1988-),男,博士研究生,主要从事MEMS湿度传感器的研究,chenwhcn@163.com;

黄见秋(1981-),男,副研究员,主要从事CMOS MEMS、微型温度传感器、微型湿度传感器、传感器测试结构等方面的研究,hjq@seu.edu.cn。

项目来源:国家863计划项目(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