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）

為實現高空高濕環境下對濕度的準確測量，本文設計和研究了集成加熱功能的濕度傳感器，在探空儀進行高空濕度探過程中利用兩只加熱式濕度傳感器進行輪流加熱除濕和濕度測量。通過對聚酰亞胺濕敏材料進行改性和合成，設計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、響應時間小于1 s、濕滯為4.8%RH、半年漂移量在±0.3%RH以內。通過分析不同溫度下的加熱恢復時間，制定了加熱式濕度傳感器輪流工作的機制，輪流加熱時間和周期分別為2 s和120 s。并利用數據采集電路以及GPS探空儀對加熱式濕度傳感器進行了地面靜態性能和高空動態性能測試，其高空濕度探測結果與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，實現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報以及環境監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難點，嚴重的影響著氣象觀測技術的發展。濕度傳感器是探空儀測量高空濕度的關鍵部分，也是我國氣象觀測中的瓶頸技術之一。高空濕度探測用濕度傳感器通常要求具有響應快速、全濕度量程、溫度范圍寬、小型化以及低成本等特點。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，是濕度傳感器研究和發展的主要方向［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，聚酰亞胺以其優良的熱穩定性、耐輻射性、化學穩定性、介電性能和力學性能，以及與半導體IC工藝兼容等特點，成為聚合物濕度傳感器濕敏材料的研究熱點之一［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生凝結，遇到云、雨等高濕環境時還容易在低溫條件下發生結冰霜現象，嚴重影響了濕度探測的響應速度和準確度［7］。針對這一問題，近年來國內外研究人員紛紛報道了集成加熱功能的濕度傳感器，避免了表面冰霜的凝結，降低了濕度漂移，并提高了響應速率。例如，Kang等人報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等人分別報道了采用MEMS或COMS技術制作的集成加熱電路的濕度傳感器［7-10］；而芬蘭VAISALA公司生產的RS92型探空儀采用加熱式濕度傳感器實現了1 s的響應時間、5%RH的不確定度，是目前國際上高空濕度探測的領先水平［11-13］。目前，國內氣象業務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，采用平面半導體工藝技術，設計并制作了具有蛇形加熱電阻的加熱式濕度傳感器及其數據采集和控制電路，采用兩只加熱式濕度傳感器輪流交替進行加熱除濕和濕度測量。通過靜態性能的測試與分析，加熱式濕度傳感器的響應時間小于1 s、靈敏度0.219 5 pF/%RH、線性度和長期穩定性均良好。通過與芬蘭VAISALA RS92型和國產GTS1型探空儀型進行同球放飛對比，本文研究制備的加熱式濕度傳感器實現了交替加熱和濕度測量的功能，在整個濕度范圍能快速響應高空濕度的變化，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，已報道的聚酰亞胺電容式濕度傳感器仍然存在響應時間過慢、線性度差以及水分子凝聚導致濕滯等問題［15-17］。為了降低濕度傳感器對水分子的吸附和脫附時間，防止水分子的凝聚，提高響應速度，本文在聚酰胺酸（聚酰亞胺的預聚物）的合成過程中，設計合成了疏水性結構的高分子骨架，側基為弱極性官能團醚鍵（—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存在，不易發生水分子凝聚。同時引入了含氟基團（—CF3），氟基的基團體積大，空間位阻效應大，從而導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境中的水分子，響應速度快，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計和制作

加熱式濕度傳感器的設計，如圖1所示，為三明治結構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，當聚酰亞胺吸附空氣中的水分子變化時，其介電系數將發生變化，濕敏容值也將隨之發生變化，從而實現對空氣中濕度的測量。考慮聚酰亞胺吸濕和脫濕效率，并具有相對高的靈敏度，其厚度應盡量小，本文的聚酰亞胺厚度選擇為300 nm～500 nm。上電極采用微米級正方形柵格結構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電阻采用蛇形結構的設計［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，為了提高加熱和散熱效率，減小停止加熱后的恢復時間以保證濕度探測的精度，一方面將聚酰亞胺感濕層擴展至加熱電路上，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構示意圖

加熱式濕度傳感器的制作采用平面半導體工藝制作完成，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圖形，在100℃～300℃范圍內對聚酰胺酸進行梯度加熱，以使其徹底亞胺化，形成聚酰亞胺感濕層。再采用電子束蒸發和光刻工藝形成厚度為10 nm的柵格結構Al上電極。最后制作加厚電極，以便于電極引出。

2　濕度傳感器的靜態性能測試與討論

2.1濕度傳感器的感濕性能

通過對2英寸基片上的加熱式濕度傳感器在室內環境下（溫度約為25℃，濕度約為30%RH），進行點測統計，濕敏容值在55 pF～70 pF范圍內呈正態分布，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生器進行測試，溫度設為25℃，在升濕過程中，濕度依次穩定在5%RH、20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH和92% RH的濕度點下進行濕敏容值的采集。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，將濕度連續由5%RH升到92%RH再降回到5%RH的過程中采集電容值，結果如圖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）。

圖2　濕度傳感器的感濕特性和遲滯曲線（25℃）

2.2濕度傳感器的響應時間

濕度傳感器的響應時間測試采用分流法濕度發生器，將其溫度和濕度分別設為25℃和90%RH，將濕度傳感器由環境濕度（濕度約為20%RH）迅速進出濕度發生器，并穩定一段時間，記錄整個過程中電容值變化，電容值每0.3 s記錄一次。如圖3所示為測試的響應時間曲線。可以看出，吸濕和脫濕時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定，進出于環境濕度和高濕環境的吸濕和脫濕均能在1 s內完成，而電容值變化63.2%時的響應時間約為0.3 s。

圖3　濕度傳感器的響應時間曲線（25℃）

2.3濕度傳感器的長期穩定性

圖4為20只加熱式濕度傳感器經過連續6個月的濕度平均漂移情況，以首次測試值為參考，測試濕度點分別為8%RH、25%RH、55%RH、75%RH和92%RH，濕度傳感器的老化環境為室內常溫常濕環境。可以看出，在6個月的測量中，各濕度點平均濕度漂移均小于±3%RH，沒有明顯的隨時間延長而濕度漂移增大的趨勢。結果顯示出該加熱式濕度傳感器具有良好的長期穩定性。

圖4　濕度傳感器的穩定性曲線

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行加熱使其溫度快速上升，從而達到加熱除濕的效果。為了保證濕度的測量精度，加熱和恢復時間均需要在較短的時間內完成。圖5為在不同環境溫度下對加熱電阻施加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。插圖是環境溫度為20℃時兩只濕度傳感器加熱前后電容值隨時間的變化曲線，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到除濕的效果，而停止加熱后約8 s內即可恢復至加熱前的容值。

為獲得在不同環境溫度下的濕度傳感器加熱后的恢復情況，分別在20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃和-30℃時采集濕度傳感器加熱后的恢復時間，結果如圖5所示，并對進行曲線擬合曲線，擬合方程為：

其中，tT為恢復時間，T為環境溫度。可以看出，隨著環境溫度降低，加熱后濕敏容值的恢復時間呈指數形式增加。

因此，為保證兩只加熱式濕度傳感器交替濕度測量的連續性，并考慮-30℃以下恢復時間指數增加，將濕度傳感器的加熱條件設定為：環境溫度在-30℃以上的兩只濕度傳感器交替加熱，其加熱時間和周期分別為2 s和120 s；而-30℃以下停止對濕度傳感器進行加熱。

圖5　不同環境溫度下的加熱恢復時間曲線

3　濕度傳感器的動態性能測試與討論

3.1動態測試硬件總體設計

本文采用兩只加熱式濕度傳感器交替進行濕度測量的模式，設計了的雙加熱濕度傳感器的數據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探空儀載體上進行高空濕度探測，濕度輸出頻率為1次/s，其系統整體硬件框架結構如圖6所示。圖7所示為雙加熱式濕度傳感器數據采集和加熱控制電路的設計圖和GPS探空儀的實物照。

圖6　探空儀系統總體框架圖

圖7　加熱式濕度傳感器數據采集和加熱控制電路板設計圖與探空儀實物圖

3.2動態測試結果與分析

本文中的濕度傳感器首先通過采用雙壓法濕度發生器，并以高精度露點儀MBW LHX373作為濕度參考，對-60℃～50℃進行溫度分段，在每個溫度點選取10%RH，25%RH，55%RH，80%RH，95%RH的濕度進行標定。從而建立起溫度、濕度和濕敏容值的三維對應表。當探空儀進行高空濕度測量時，根據測得的濕敏容值和環境溫度，通過查表插值得到實際的濕度值。

為驗證雙加熱濕度傳感器的實際探空性能，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 L波段 GTS1型探空儀使用1.6 kg氣球進行同球探空對比。

雙加熱式濕度傳感器的動態測試結果如圖8所示（3 000 s時上升高度為15.6 km），圖8（a）顯示出兩只加熱式濕度傳感器在-30℃以上實現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，表明兩只傳感器的一致性較好，而且可通過進行動態放飛前基測進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比圖，加熱式濕度傳感器與對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在整個測量過程中保持較為一致的濕度探測趨勢，幾乎同步發生濕度階躍，而GTS1探空儀在最后低溫階段（～-30℃以下）出現了較大的濕度滯后現象，未能響應實際濕度的變化，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勢。圖8（c）和8（d）為該加熱式濕度傳感器的系統誤差和標準差（以VAISALA RS92型探空儀的測量值為標準，以120 s為周期進行分段），可以看出在第一個高濕區域和濕度最終下降階段，系統誤差和標準偏差偏高，系統誤差最高為6.1%RH，標準差最高為7.3%RH；而在其他階段系統誤差和標準差較小，系統誤差在±5%RH以內，標準差小于5%RH。通過降低濕度傳感器常溫和低溫標校誤差、降低濕滯、優化加熱過程以及進行動態放飛前的基測，可進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型探空儀的同球動態探空比對曲線

4　結論

通過本文的研究，該加熱式濕度傳感器具有設計和工藝簡單、成本低、響應時間快、靈敏度高、線性度好和長期穩定性好的特點；且實現了兩只加熱式傳感器輪流進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L波段GTS1型探空儀的動態測試比對，濕度探測性能已經達到了與VAISALA RS92相比較的水平，在濕度響應速度、濕度誤差和探測曲線等方面達到了理想的效果，而相比我國GTS1型探空儀則展現出了優勢。因此，該加熱式濕度傳感器在高空氣象探測領域具有出較大的應用潛力。

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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

項目來源：公益性行業（氣象）科研專項項目（GYHY201106040）

2016-03-21修改日期：2016-04-27