MEMS電容式濕度傳感器后處理工藝研究*

張廣慶，趙成龍，秦 明

(東南大學MEMS教育部重點實驗室，南京 210096)

濕度測量在工業(yè)和農(nóng)業(yè)以及人們的日常生活中有著廣泛的應用。對電容型濕度傳感器來說，能用作感濕介質(zhì)的濕敏材料有很多種［1－4］，聚酰亞胺(PI)就是一種典型的高分子濕敏材料［5－8］，本文采用某公司生產(chǎn)的ZKPI－305IID型聚酰亞胺。由它制成的電容式濕度傳感器的感濕薄膜具有優(yōu)異的耐熱、力學、絕緣/介電性能，而且粘附性好、內(nèi)應力低、流平性好，可以制得高質(zhì)量的圖形。從制造工藝上看，聚酰亞胺的預聚物聚酰胺酸(PA)是可溶性的，可用類似半導體工藝中涂光刻膠的方法涂覆在濕度傳感器的梳齒狀電極上，旋涂的厚度由旋涂的轉(zhuǎn)速確定，再加熱到一定溫度脫水固化形成聚酰亞胺薄膜，膜厚容易控制，有利于大批量生產(chǎn)［9］。聚酰胺酸分子內(nèi)部環(huán)化脫水轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺的亞胺化反應［10］，是影響聚酰亞胺性能的最關鍵步驟。本文對聚酰氨酸的旋涂和亞胺化過程進行了實驗研究，在不同的旋涂轉(zhuǎn)速和亞胺化溫度下制得濕度傳感器，通過對比傳感器的性能表現(xiàn)得出了一組較好的后處理工藝參數(shù)。

1 濕度傳感器的工作原理和結構

濕度傳感器的感濕介質(zhì)由于外界環(huán)境的相對濕度變化，吸附/脫附空氣中的水汽分子，使得感濕介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，引起濕度傳感器的電容值改變，相對濕度與敏感電容之間存在確定關系。環(huán)境相對濕度升高時濕度傳感器電容值增加，相對濕度降低時電容值相應減少［11］。濕度傳感器輸出端連接到電容測試電路，測得敏感電容變化。

本文研究的濕度傳感器的結構如圖1所示［12］。圖中鋁電極板分別由50根寬15 μm、長800 μm、厚度約為1.5 μm的條形鋁電極組成梳狀結構，相鄰的極板間距為8 μm。二氧化硅是硅襯底上的絕緣層，厚度約為1 μm。

該結構具有以下優(yōu)點:①采用鋁電極梳狀并聯(lián)結構增加敏感電容;②將襯底接地消除外界干擾;③利用聚酰亞胺(例如ZKPI－305IID)作為感濕介質(zhì)，具有靈敏度高、線性度好、滯回特性好、長期可靠等優(yōu)點［11］。

圖1

2 MEMS后處理工藝中感濕介質(zhì)的成形對傳感器性能的影響

2.1 聚酰亞胺固化的影響

采用標準CMOS工藝進行硅氧化，在硅襯底上形成厚度為1μm的二氧化硅絕緣層;光刻二氧化硅層，形成襯底接地孔;濺射厚度約為1.5μm的鋁層;光刻鋁層形成梳狀電極和襯底接出引線;然后采用MEMS后處理工藝，利用旋轉(zhuǎn)涂敷法形成聚酰亞胺薄膜，光刻形成所需的聚酰亞胺薄膜圖形，并在高溫下進行固化處理，最終制得實驗用濕度傳感器。

聚酰亞胺的固化實際上是內(nèi)部分子結構在高溫下發(fā)生縮合反應，脫水環(huán)化的過程。目前聚酰亞胺固化所采用的熱處理方法中升溫方式主要有直接升溫法和階梯化升溫法［13］。本實驗使用階梯加熱儀，采用階梯化升溫方式并通氮氣保護鋁焊盤。

若溫度直接升高到最高，大量的溶劑以及反應生成的水分子無法快速有效的排出，影響薄膜性能。采用階梯升溫固化方式，聚酰亞胺在熱處理過程中每升高到一個溫度階梯就保持一段時間，以保證在這一溫度下聚酰亞胺充分固化，并且使溶劑反應生成水分子的快速有效排出，然后再升溫至下一個階梯溫度，最后在最高固化溫度上保持足夠長的恒溫時間，以保證聚酰亞胺的充分完全固化，并最終形成性能和表面狀態(tài)良好的聚酰亞胺感濕薄膜。

聚酰亞胺的最高固化溫度是一個關鍵的工藝參數(shù)。實驗分別在最高固化溫度為200℃、250℃和290℃的條件下進行，采用德國VOTSCH公司的VCL4003型溫度－濕度實驗箱測試，得到它們的濕度－電容歸一化曲線如圖3所示。

由圖3可見，最高固化溫度為250℃時制得的濕度傳感器的靈敏度最高。這是因為:200℃時溫度太低，聚酰亞胺固化程度較低，薄膜孔隙率較低，不能形成感濕特性良好的薄膜;290℃時溫度太高，固化過程中產(chǎn)生的大量水汽分子不能及時排出，會造成薄膜表面形態(tài)的惡化和聚酰亞胺分子結構的破壞，使得薄膜的感濕特性嚴重退化［9，14］。另外，溫度高于聚酰亞胺的玻璃化溫度也會阻止固化的繼續(xù)進行。

圖2 聚酰亞胺固化升溫曲線

圖3 最高固化溫度250℃、200℃和290℃下濕度傳感器靈敏度對比

2.2 聚酰亞胺厚度的影響

濕度傳感器上聚酰亞胺感濕薄膜的厚度由聚酰亞胺的旋涂速度決定。使用甩膠臺旋涂聚酰亞胺，在旋涂轉(zhuǎn)速分別為2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min時，用臺階儀測得聚酰亞胺厚度如圖4所示。

圖4 聚酰亞胺厚度與旋涂轉(zhuǎn)速的關系曲線

濕度傳感器上聚酰亞胺感濕薄膜的厚度直接影響到濕度傳感器的靈敏度、響應時間和滯回特性。實驗中采用了另一種結構的電容型濕度傳感器［15］，在標準CMOS工藝和其它相同后續(xù)工藝條件下，研究聚酰亞胺薄膜厚度對濕度傳感器靈敏度和滯回特性的影響。使用甩膠臺分別在轉(zhuǎn)速為2000 r/min和4000 r/min條件下旋涂聚酰亞胺，旋涂聚酰亞胺厚度分別為2.4 μm 和 1.3 μm。采用德國 VOTSCH 公司的VCL4003型溫度－濕度實驗箱進行測試，得出濕度傳感器的濕度－電容歸一化曲線，從而得出不同聚酰亞胺薄膜厚度對濕度傳感器靈敏度和滯回特性的影響。

由圖5和圖6可見，聚酰亞胺感濕薄膜的厚度越厚濕度傳感器的靈敏度越好，但滯回特性會差一些。這是因為薄膜越厚，形成的孔隙越多越深，薄膜內(nèi)表面面積和越大，薄膜中吸附的水分子就越多，薄膜的介電常數(shù)會變化更大，這樣濕度傳感器的靈敏度就更好，但由于吸附的水分子較多，由于水分子的凝聚現(xiàn)象或水分子之間的極性鍵作用，薄膜的脫濕會變的緩慢從而造成濕度傳感器的滯回特性變差;反之，薄膜越薄則吸附的水分子較少，靈敏度不高，但脫濕會快一些，響應速度會快一些，另外滯回特性會好一些。此外，如果濕度過高，薄膜吸附的水分子不再局限于表面單層，而是逐漸形成多層的體內(nèi)吸附，并會形成水分子的凝聚現(xiàn)象，因此高濕區(qū)濕度傳感器的靈敏度變大，滯回特性變差。

圖5 不同聚酰亞胺厚度對濕度傳感器靈敏度的影響

圖6 不同聚酰亞胺厚度對濕度傳感器滯回特性的影響

3 結論

本文對電容型濕度傳感器后處理工藝過程中最關鍵的兩個步驟即聚酰亞胺的旋涂和固化工藝對器件感濕特性的影響進行了研究，通過對比不同工藝參數(shù)下制得的濕度傳感器的性能得出:對于ZKPI－305IID型聚酰亞胺，旋涂轉(zhuǎn)速為2000 r/min，薄膜厚度約為2.4 μm;采用階梯升溫加熱法;最高固化溫度250℃為最佳的濕度傳感器后處理工藝參數(shù)，在這些工藝參數(shù)下制得的電容型濕度傳感器在25%RH到75%RH范圍內(nèi)，其靈敏度可以達到1.8 fF/%RH。

［1］Zhang Tong，He Yuan，Wang Rui，et al.Analysis of Dc and Ac Properties of Humidity Sensor Based on Polypyrrole Materials［J］.Sensors and Actuators B，2008，131(2):687－691.

［2］Wang Jing，Wang Xiao-Hua，Wang Xiao-Dong.Study on Dielectric Properties of Humidity Sensing Nanometer Materials［J］.Sensors and Actuators B，2005，108(1－2):445－449.

［3］郝育聞.新型濕度傳感器的研究進展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(11):1－3.

［4］Veronika Timár-Horváth，László Juhász，András Vass-Várnai，et al.Usage of Porous AL2O3 Layers for RH Sensing［J］.Microsystem Technologies，2008，14(7):1081－1086.

［5］周文和，劉倩，王良璧，等.基于聚酰亞胺的電容式濕度傳感元件的研制［J］.蘭州交通大學學報，2009，28(4):78－81.

［6］崔千紅，楊子健，韋波，等.CMOS工藝制備聚酰亞胺電容型濕度傳感器及其性能［J］.電子元件與材料，2009，28(12):19－22.

［7］彭韶華，黃慶安，秦明，等.CMOS工藝兼容的單片集成濕度傳感器［J］.半導體學報，2006，27(2):358－362.

［8］朱小蘭，唐建君.聚酰亞胺材料研究進展［J］.科技傳播，2010，(21):87－88.

［9］謝瓊，楊文，常愛民，等.濕度傳感器用聚酰亞胺材料亞胺化工藝研究［J］.應用化工，2003，32(6):20－22.

［10］應建華，吳正元，劉三清.微電子用聚酰亞胺亞胺化峰［J］.華中理工大學學報，1995，23(3):61－65.

［11］顧磊，秦明，黃慶安.一種新型的CMOS集成濕度傳感器［J］.微納電子技術，2003，(7/8):461－463.

［12］彭韶華，黃慶安，秦明，等.CMOS工藝兼容的溫濕度傳感器［J］.半導體學報，2005，26(7):1428－1433.

［13］耿洪斌，黃培，時鈞.聚酰胺酸在不同熱處理過程中的熱環(huán)化［J］.高分子材料科學與工程，2005，21(3):192－195.

［14］孫承松，周立軍，李云鵬.一種電容型高分子濕度傳感器研究［J］.沈陽工業(yè)大學學報，1997，19(5):16－19.

［15］Zhao Cheng-Long，Huang Qing-An，Qin Ming，et al.A CMOS Interdigital Capacitive Humidity Sensor with Polysilicon Heaters［C］//IEEE SENSORS 2010 Conference，USA，November 1－4，2010:382－385.