高空湿度探测用加热式湿度传感器的研制*

董　鹏，边旭明，赵宏忠，林树超，邓　娟，黄晓杰，彭文武

（北京航天微电科技有限公司，北京100854）

高空湿度探测用加热式湿度传感器的研制*

董鹏*，边旭明，赵宏忠，林树超，邓娟，黄晓杰，彭文武

（北京航天微电科技有限公司，北京100854）

为实现高空高湿环境下对湿度的准确测量，本文设计和研究了集成加热功能的湿度传感器，在探空仪进行高空湿度探过程中利用两只加热式湿度传感器进行轮流加热除湿和湿度测量。通过对聚酰亚胺湿敏材料进行改性和合成，设计和制作了加热式的电容型湿度传感器，其灵敏度为0.219 5 pF/%RH、响应时间小于1 s、湿滞为4.8%RH、半年漂移量在±0.3%RH以内。通过分析不同温度下的加热恢复时间，制定了加热式湿度传感器轮流工作的机制，轮流加热时间和周期分别为2 s和120 s。并利用数据采集电路以及GPS探空仪对加热式湿度传感器进行了地面静态性能和高空动态性能测试，其高空湿度探测结果与VA SALA RS92的显示出较好的一致性和较低的湿度误差。本文研制的加热式湿度传感器能具有良好的地面性能，实现了交替加热除湿和湿度测量的功能，具有高空湿度探测的应用潜力。

湿度传感器；高空湿度探测；加热式；湿敏电容

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.009

高空湿度探测是高空气象观测的基本测量值之一，为各种类型的天气预报以及环境监测提供最基本的大气湿度信息。高空湿度的测量一直是气象观测的一个难点，严重的影响着气象观测技术的发展。湿度传感器是探空仪测量高空湿度的关键部分，也是我国气象观测中的瓶颈技术之一。高空湿度探测用湿度传感器通常要求具有响应快速、全湿度量程、温度范围宽、小型化以及低成本等特点。湿度传感器按工作原理和湿敏材料类型有多种分类［1-2］，其中聚合物电容式湿度传感器具有以上特点，是湿度传感器研究和发展的主要方向［3，4］。用作湿敏材料的聚合物主要有醋酸纤维、聚苯乙烯和聚酰亚胺。其中，聚酰亚胺以其优良的热稳定性、耐辐射性、化学稳定性、介电性能和力学性能，以及与半导体IC工艺兼容等特点，成为聚合物湿度传感器湿敏材料的研究热点之一［5-6］。

然而，在高空湿度探测过程中，低温空气中的水蒸气容易在湿度传感器的表面发生凝结，遇到云、雨等高湿环境时还容易在低温条件下发生结冰霜现象，严重影响了湿度探测的响应速度和准确度［7］。针对这一问题，近年来国内外研究人员纷纷报道了集成加热功能的湿度传感器，避免了表面冰霜的凝结，降低了湿度漂移，并提高了响应速率。例如，Kang等人报道了集成有多晶硅加热电路的聚酰亚胺柱阵列式湿度传感器［1］；金、Shi和Gu等人分别报道了采用MEMS或COMS技术制作的集成加热电路的湿度传感器［7-10］；而芬兰VAISALA公司生产的RS92型探空仪采用加热式湿度传感器实现了1 s的响应时间、5%RH的不确定度，是目前国际上高空湿度探测的领先水平［11-13］。目前，国内气象业务用探空仪仍以电阻式湿度传感器为主，而在电容式湿度传感器方面与国际先进水平仍存在较大差距［14］。

因此，本文基于合成的改性聚酰亚胺湿度敏感材料，采用平面半导体工艺技术，设计并制作了具有蛇形加热电阻的加热式湿度传感器及其数据采集和控制电路，采用两只加热式湿度传感器轮流交替进行加热除湿和湿度测量。通过静态性能的测试与分析，加热式湿度传感器的响应时间小于1 s、灵敏度0.219 5 pF/%RH、线性度和长期稳定性均良好。通过与芬兰VAISALA RS92型和国产GTS1型探空仪型进行同球放飞对比，本文研究制备的加热式湿度传感器实现了交替加热和湿度测量的功能，在整个湿度范围能快速响应高空湿度的变化，显示出良好的高空探测性能。

1　加热式湿度传感器的制备

1.1聚酰亚胺湿敏材料的改性与合成

目前，已报道的聚酰亚胺电容式湿度传感器仍然存在响应时间过慢、线性度差以及水分子凝聚导致湿滞等问题［15-17］。为了降低湿度传感器对水分子的吸附和脱附时间，防止水分子的凝聚，提高响应速度，本文在聚酰胺酸（聚酰亚胺的预聚物）的合成过程中，设计合成了疏水性结构的高分子骨架，侧基为弱极性官能团醚键（—O—）和羰基（—CO—）等，其亲水性较弱，水分子吸附量少，吸附的水分子在膜中可以近似单独存在，不易发生水分子凝聚。同时引入了含氟基团（—CF3），氟基的基团体积大，空间位阻效应大，从而导致合成的大分子的堆砌密度低，有利于水分子的通过，因此含氟的聚酰亚胺薄膜可以快速的吸附和脱出环境中的水分子，响应速度快，湿度灵敏性好［17，18］。含氟聚酰胺酸的合成是采用4，4′-（六氟异丙烯）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进行合成的。在湿度传感器的制作过程中，聚酰胺酸通过在100℃～300℃下进行梯度高温亚胺化，最终获得感湿性能良好的聚酰亚胺感湿层。

1.2加热式湿度传感器的设计和制作

加热式湿度传感器的设计，如图1所示，为三明治结构的电容型湿度传感器。湿度传感器的下电极为平板金属电极。中间层为合成的改性聚酰亚胺湿度敏感材料，当聚酰亚胺吸附空气中的水分子变化时，其介电系数将发生变化，湿敏容值也将随之发生变化，从而实现对空气中湿度的测量。考虑聚酰亚胺吸湿和脱湿效率，并具有相对高的灵敏度，其厚度应尽量小，本文的聚酰亚胺厚度选择为300 nm～500 nm。上电极采用微米级正方形栅格结构以提高吸附和脱附水分子的速率。起加热除湿作用的金属Pt电阻采用蛇形结构的设计［8-9］，阻值约20 Ω，分布在下电极的周围，以获得良好的加热效果。同时，为了提高加热和散热效率，减小停止加热后的恢复时间以保证湿度探测的精度，一方面将聚酰亚胺感湿层扩展至加热电路上，其次将湿度传感器的三维尺寸缩小，尺寸为3.4 mm×2.7 mm，基片为厚度为0.25 mm的石英基片。

图1　加热式湿度传感器的结构示意图

加热式湿度传感器的制作采用平面半导体工艺制作完成，如图1的截面示意图所示。首先，在石英基片上，分别溅射350 nm NiCr/Au下电极和600 nm NiCr/Pt加热电路。然后，旋涂厚度约为400 nm的聚酰胺酸，并通过光刻工艺形成所需要的敏感区图形，在100℃～300℃范围内对聚酰胺酸进行梯度加热，以使其彻底亚胺化，形成聚酰亚胺感湿层。再采用电子束蒸发和光刻工艺形成厚度为10 nm的栅格结构Al上电极。最后制作加厚电极，以便于电极引出。

2　湿度传感器的静态性能测试与讨论

2.1湿度传感器的感湿性能

通过对2英寸基片上的加热式湿度传感器在室内环境下（温度约为25℃，湿度约为30%RH），进行点测统计，湿敏容值在55 pF～70 pF范围内呈正态分布，加热电阻值为（20±1）Ω，说明工艺的均匀性和一致性较好。

湿度传感器的感湿特性采用英国Rotronic公司的分流法湿度发生器进行测试，温度设为25℃，在升湿过程中，湿度依次稳定在5%RH、20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH和92% RH的湿度点下进行湿敏容值的采集。如图2所示的升湿曲线为该湿度传感器在升湿过程中测得的感湿特性曲线（湿度—容值关系曲线），由拟合曲线得到其非线性度误差仅为1.4%，灵敏度为0.219 5 pF/%RH。为了获得湿度传感器的湿滞情况，将湿度连续由5%RH升到92%RH再降回到5%RH的过程中采集电容值，结果如图2所示所示的升湿和降湿曲线，其湿滞为4.8%RH（在湿度为53%RH时）。

图2　湿度传感器的感湿特性和迟滞曲线（25℃）

2.2湿度传感器的响应时间

湿度传感器的响应时间测试采用分流法湿度发生器，将其温度和湿度分别设为25℃和90%RH，将湿度传感器由环境湿度（湿度约为20%RH）迅速进出湿度发生器，并稳定一段时间，记录整个过程中电容值变化，电容值每0.3 s记录一次。如图3所示为测试的响应时间曲线。可以看出，吸湿和脱湿时的电容值跃迁曲线陡峭，且能在低湿和高湿保持电容值的稳定，进出于环境湿度和高湿环境的吸湿和脱湿均能在1 s内完成，而电容值变化63.2%时的响应时间约为0.3 s。

图3　湿度传感器的响应时间曲线（25℃）

2.3湿度传感器的长期稳定性

图4为20只加热式湿度传感器经过连续6个月的湿度平均漂移情况，以首次测试值为参考，测试湿度点分别为8%RH、25%RH、55%RH、75%RH和92%RH，湿度传感器的老化环境为室内常温常湿环境。可以看出，在6个月的测量中，各湿度点平均湿度漂移均小于±3%RH，没有明显的随时间延长而湿度漂移增大的趋势。结果显示出该加热式湿度传感器具有良好的长期稳定性。

图4　湿度传感器的稳定性曲线

2.4湿度传感器的加热特性测试

加热式湿度传感器通过加热电阻进行加热使其温度快速上升，从而达到加热除湿的效果。为了保证湿度的测量精度，加热和恢复时间均需要在较短的时间内完成。图5为在不同环境温度下对加热电阻施加5 V电压，加热2 s，并通过测量电路采集其电容值的变化情况。插图是环境温度为20℃时两只湿度传感器加热前后电容值随时间的变化曲线，两只加热式湿度传感器加热后，其电容值迅速降低，表明2 s加热后芯片温度即可迅速升高从而达到除湿的效果，而停止加热后约8 s内即可恢复至加热前的容值。

为获得在不同环境温度下的湿度传感器加热后的恢复情况，分别在20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃和-30℃时采集湿度传感器加热后的恢复时间，结果如图5所示，并对进行曲线拟合曲线，拟合方程为：

其中，tT为恢复时间，T为环境温度。可以看出，随着环境温度降低，加热后湿敏容值的恢复时间呈指数形式增加。

因此，为保证两只加热式湿度传感器交替湿度测量的连续性，并考虑-30℃以下恢复时间指数增加，将湿度传感器的加热条件设定为：环境温度在-30℃以上的两只湿度传感器交替加热，其加热时间和周期分别为2 s和120 s；而-30℃以下停止对湿度传感器进行加热。

图5　不同环境温度下的加热恢复时间曲线

3　湿度传感器的动态性能测试与讨论

3.1动态测试硬件总体设计

本文采用两只加热式湿度传感器交替进行湿度测量的模式，设计了的双加热湿度传感器的数据采集和交替加热的控制电路，两只加热式湿敏湿度传感器安装在采集电路的支架版上，并安装到GPS探空仪载体上进行高空湿度探测，湿度输出频率为1次/s，其系统整体硬件框架结构如图6所示。图7所示为双加热式湿度传感器数据采集和加热控制电路的设计图和GPS探空仪的实物照。

图6　探空仪系统总体框架图

图7　加热式湿度传感器数据采集和加热控制电路板设计图与探空仪实物图

3.2动态测试结果与分析

本文中的湿度传感器首先通过采用双压法湿度发生器，并以高精度露点仪MBW LHX373作为湿度参考，对-60℃～50℃进行温度分段，在每个温度点选取10%RH，25%RH，55%RH，80%RH，95%RH的湿度进行标定。从而建立起温度、湿度和湿敏容值的三维对应表。当探空仪进行高空湿度测量时，根据测得的湿敏容值和环境温度，通过查表插值得到实际的湿度值。

为验证双加热湿度传感器的实际探空性能，将安装双加热湿度传感器的探空仪与芬兰VAISALA的 RS92型和国产 L波段 GTS1型探空仪使用1.6 kg气球进行同球探空对比。

双加热式湿度传感器的动态测试结果如图8所示（3 000 s时上升高度为15.6 km），图8（a）显示出两只加热式湿度传感器在-30℃以上实现了多次理想的交替加热除湿的效果。不考虑两只加热式湿度传感器的加热和恢复阶段，两只加热式湿度传感器的湿度曲线变化相符，湿度偏差在5%RH以内，表明两只传感器的一致性较好，而且可通过进行动态放飞前基测进一步消除两只加热式湿度传感器的湿度偏差。图8（b）为去除两只传感器的加热过程后得到的湿度测量曲线的对比图，加热式湿度传感器与对比探空仪均显示出了明显的出云和入云变化，该双加热式湿度传感器与VAISALA RS92在整个测量过程中保持较为一致的湿度探测趋势，几乎同步发生湿度阶跃，而GTS1探空仪在最后低温阶段（～-30℃以下）出现了较大的湿度滞后现象，未能响应实际湿度的变化，因此加热式电容型湿度传感器在低温低湿阶段显示出明显优势。图8（c）和8（d）为该加热式湿度传感器的系统误差和标准差（以VAISALA RS92型探空仪的测量值为标准，以120 s为周期进行分段），可以看出在第一个高湿区域和湿度最终下降阶段，系统误差和标准偏差偏高，系统误差最高为6.1%RH，标准差最高为7.3%RH；而在其他阶段系统误差和标准差较小，系统误差在±5%RH以内，标准差小于5%RH。通过降低湿度传感器常温和低温标校误差、降低湿滞、优化加热过程以及进行动态放飞前的基测，可进一步降低双加热式湿度传感器的湿度误差。

图8　加热式湿度传感器与VAISALA RS92和GTS1型探空仪的同球动态探空比对曲线

4　结论

通过本文的研究，该加热式湿度传感器具有设计和工艺简单、成本低、响应时间快、灵敏度高、线性度好和长期稳定性好的特点；且实现了两只加热式传感器轮流进行加热除湿和湿度测量的功能。通过与芬兰VAISALA的RS92型和国产L波段GTS1型探空仪的动态测试比对，湿度探测性能已经达到了与VAISALA RS92相比较的水平，在湿度响应速度、湿度误差和探测曲线等方面达到了理想的效果，而相比我国GTS1型探空仪则展现出了优势。因此，该加热式湿度传感器在高空气象探测领域具有出较大的应用潜力。

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董鹏（1987-），男，山东日照人，博士，工程师，主要从事MEMS技术及传感器等方面的研究，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

项目来源：公益性行业（气象）科研专项项目（GYHY201106040）

2016-03-21修改日期：2016-04-27