片上加熱電容式濕度傳感器研究*

陳文浩,黃見秋

(東南大學MEMS教育部重點實驗室,南京 210096)

?

片上加熱電容式濕度傳感器研究*

陳文浩,黃見秋*

(東南大學MEMS教育部重點實驗室,南京 210096)

提出了一種集成加熱結構的電容式濕度傳感器結構。對傳感器的穩態加熱特性進行了分析,并利用紅外線熱成像技術對傳感器加熱過程以及穩態溫度響應進行了研究。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時間特性進行了測試。不加熱時,傳感器的靈敏度為0.009 13 pF/%rH,回滯≈0.12 pF,響應時間約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,響應時間約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、工農業生產以及日常生活等方面對人們有著非常重要的意義[1]。隨著技術的進步,人們對濕度測量的靈敏度、精確度以及響應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速度慢的問題,常用的解決方案就是在傳感器結構中增加加熱結構。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化傳感器加熱電路,進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構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軟件對傳感器進行了分析,并利用紅外線熱成像技術進行了實驗研究。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特性進行了測試。結果表明,本文提出的電容式濕度傳感器,可以在加熱電路的加熱下,穩定地達到較高溫度,且敏感電容區域溫度分布均勻;經加熱后,傳感器的性能有明顯的提高。

1 傳感器設計

本文提出的電容式濕度傳感器結構如圖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構加熱,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構,并以鈍化層保護。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構。最后在整個濕度敏感電容結構上方,有一層通過電子束蒸發形成的金膜,將整個電容結構區覆蓋在下方。金膜極薄,厚度約10 nm,且由于蒸發工藝原子間空隙較大,使水分子容易穿透金膜,對傳感器的響應速度影響較小[8]。

圖1 傳感器結構示意圖

圖2 敏感結構及其等效電路

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部,并形成了新的電容結構,使整個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,整個傳感器中的敏感結構可以等效為如圖2(b)所示的等效電路。可以看到,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。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為傳感器結構中的電容對數。對于叉指結構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

傳感器結構中,多晶硅加熱電阻的阻值為180 Ω,可在5 V的電壓信號下產生約139 mW的熱功率。為了達到較理想的加熱效果,我們希望傳感器能達到一個較高的溫度;同時,整個敏感材料區都可以均勻加熱,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構。

圖3 傳感器加熱特性仿真

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

2.2 紅外線熱成像分析

為了驗證2.1中關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紅外線熱成像系統對傳感器的加熱過程進行了研究。

如圖4所示,利用紅外線熱成像技術,可以得到反映了傳感器表面溫度及熱輻射強度的偽色彩圖像。為了了解傳感器實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個測試點,在紅外線熱成像拍攝后進行了相關的分析研究。

測試點P1:位于傳感器邊緣位置的電容結構區內;

測試點P2:位于兩個電容結構區中間,靠近邊緣位置的電容結構區;

測試點P3:位于兩個電容結構去中間,靠近中間位置的電容結構區;

測試點P4:位于傳感器中間位置的電容結構區內;

測試點P5:位于傳感器邊緣位置的電容結構區內,不同于P1的另一位置。

圖4 傳感器熱成像圖

圖5 傳感器上各測試點溫度變化過程

經發射率修正并去除環境背景輻射干擾后[10],各測試點溫度變化過程如圖5所示。圖中縱坐標T為測試點的溫度變化值。從圖中可以看到,在5 V電壓信號3 min的加熱后,測試點P1、P4與P5溫度分別上升了約34 ℃、32 ℃與30 ℃,測試點P2與P3也分別上升了30 ℃左右,即傳感器上電容結構區及附近區域在此信號的加熱下均勻升溫了30 ℃左右,與ANSYS分析結果基本一致。此外,在加熱過程的剛開始的一段時間,溫度上升十分迅速。開始加熱5 s內,傳感器的溫度上升達10 ℃;隨后溫度的上升速度迅速降低,最終在3 min的時候熱溫差達到并基本穩定在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驗箱,在穩定的溫度條件下對濕度特性及響應特性進行了測試。由于過度的加熱可能對敏感材料及傳感器的性能產生一些不良影響[11-12],在測試中,針對無加熱、持續加熱及間斷性加熱3種情況分別進行了測試。

3.1 靜態特性

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。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行了測試。測試中每10%RH進行一次結果記錄。測試分別針對不加熱、以5 V電壓持續加熱、以5 V電壓脈沖加熱并冷卻后讀取3種不同條件進行。

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

將測試環境溫度降至-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果如圖7所示。可以看到,經加熱,傳感器在低溫下表現出了良好的靈敏度和線性度,且回滯較小。

3.2 動態特性

為了進行響應時間的測試,本文搭建了如圖8(a)所示響應時間測試裝置。如圖8(b)所示,首先操作溫濕度箱控制環境濕度達到10%RH,關閉密封倉,使密封倉內傳感器周圍濕度保持10%RH;調整溫濕度箱使濕度上升至90%RH,穩定后迅速開啟密封倉。由此實現10%RH到90%RH的濕度突變。

圖8 響應時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特性進行了測試。為了便于分析,對測試結果進行了歸一化處理,結果如圖9所示。可以看到,經過加熱,傳感器的響應時間由120.8 s減少至了75.2 s,響應特性有了明顯的改進。

圖9 響應特性測試結果

4 結論

本文提出了一種集成加熱結構的電容式濕度傳感器。對傳感器的加熱特性進行了仿真研究,并利用紅外線熱成像技術研究了傳感器的加熱過程與穩定狀態下的溫度分布。結果表明,傳感器可以達到較高的穩定溫度,且敏感電容區附近溫度分布均勻。

針對不加熱、持續加熱及脈沖加熱3種條件下傳感器的濕度特性與響應特性進行了測試。根據實驗結果,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;持續加熱時,靈敏度0.002 30 pF%RH,最大回滯0.005 pF;脈沖加熱時,靈敏度0.009 03 pF/%RH,最大回滯0.025 pF。經過脈沖加熱,傳感器能在保持較高靈敏度的同時顯著地減小回滯;同時也縮短了響應時間。此外,傳感器在-30 ℃低溫環境下測試,經過加熱,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。

[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,王曉蕾,李萍,等. 溫度和風速對濕度傳感器動態特性的影響[J]. 氣象科技,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]陳榮發. 電子束蒸發與磁控濺射鍍鋁的性能分析研究[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]楊世銘,陶文銓. 傳熱學[M]. 北京:高等教育出版社,2006:351-379.

[11]劉清倦,楊杰,楊榮康,等. 雙加熱濕度傳感器的CFD分析與加熱策略設計[J]. 傳感技術學報,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

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、傳感器測試結構等方面的研究,hjq@seu.edu.cn。

項目來源:國家863計劃項目(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