聚酰亚胺MOSFET湿度传感器研究*

廖 荣， 李 蓓， 张振杰， 李宇威

(华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510641)

聚酰亚胺MOSFET湿度传感器研究*

廖 荣， 李 蓓， 张振杰， 李宇威

(华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510641)

将聚酰亚胺(PI)薄膜制作在金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极上，当环境湿度发生变化时，将引起PI吸湿量的变化，电容量改变，据此可制成湿度传感器件，测试结果显示:该湿度传感器具有明显的湿度敏感特性。

聚酰亚胺(PI)； 湿度传感器； 半导体平面工艺； 扩展栅极结构； 相对湿度

0 引 言

聚酰亚胺(polyimide,PI)是一种性能优越的高分子聚合物，也是一种很好的感湿材料，其薄膜的制备过程完全可与半导体平面工艺相兼容；而金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件由于具有输入阻抗高、内部噪声小、热稳定性好等优点，已逐渐成为敏感元件与信号处理电路之间实现阻抗变换功能的首选单元[1]。PI充分利用了MOSFET器件的优势，适应了传感器微型化、集成化、低成本的发展需求，是一种重要的开发研究方向。

水是一种极性电介质，室温时介电常数为80。水分子为强极性分子，很容易被材料的极性表面吸附。PI涂敷在二氧化硅(SiO2)表面形成薄膜后带有负电荷。当水分子浓度在空间变化时，该膜吸附水分子数量也相应变化。PI本身的介电常数很小(3.2～4)，当水被PI吸附后引入了强极性分子，在外电场的作用下发生了偶极取向极化，使感湿膜的偶极距增加。在外场一定的情况下，这个增量与吸附水分子数量有对应关系，即湿度越大，水偶极子越多，宏观上表现为介电常数增大[2]。

1 样品的制备

使用如图1所示的PI MOSFET结构研制开发了湿度传感器，具有向外延伸的扩展栅极，感湿PI胶膜覆盖在栅极扩展部分上的结构特点。

图1 PI MOSFET结构

为了提高器件接收信息的灵敏度，采取扩大薄膜的感应区面积,扩展栅部分充当MOSFET的信息收集器，并将收集到的信号耦合至MOS管的栅极，从而有效地完成阻抗变换，并将初步放大的信号送至后续电路。表1为MOS-FET的主要参数指标，表2为PI MOSFET管基本尺寸与参数。

表1 MOSFET的主要参数指标

表2 PI MOSFET管基本尺寸与参数

经过半导体平面制作工艺氧化、光刻、磷扩散、蒸铝及旋涂PI膜等后，制备成PI MOSFET湿度传感器[3]。

2 结果与讨论

2.1 传感器电压传输特性

为保证传感器件工作在线性放大区，对传感部件中的各个单元进行电压传输特性的检测，频率选择在200 kHz，湿度分别为75.5 %RH及93.2 %RH,从示波器上直接读取输出电压值,其典型的测试结果如图2所示，输入信号vi与输出信号vo的线性关系好，说明该传感器单元工作状态良好，并且处于线性放大区[4]。

图2 PI MOSFET电压传输特性曲线

2.2 传感器频响特性

传感器的频响特性曲线如图3，在输入电压幅度相同的条件下，输出信号与频率呈单调增加的关系。在频率10 kHz以下及800 kHz以上，输出信号的变化较为平缓，这与理论分析的结果一致。在实际使用时,频率取200 kHz～1 MHz最适宜，器件的灵敏度较大[5]。

图3 PI MOSFET频响特性曲线

2.3 传感器单元扩展栅部电容湿敏特性

图4 传感器单元扩展栅部电容湿敏特性曲线

2.4 传感器湿敏特性

传感器的湿敏特性曲线如图5，该曲线显示的敏感特性也分为2部分，低湿和高湿时的变化不同，与电容特性曲线一致，其机理同上，但明显较图4的线性有所改善。这通过公式输出电压vo=RL·iR=viRLgm/(1+Ci/Cp)可以看出[9]，即适当增加感湿膜的厚度，如增加1倍，将使线性度得到进一步的提高。

3 结 论

通过实验，证明了所确定的工艺和条件是合理和有效的，解决了工艺流程中出现的具体问题。经过对PI MOSFET传感器的测试表明:该结构对湿度具有明显的湿度敏感特性[10],扩展栅型MOSFET结构设计具有广泛的应用价值。

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Research on PI MOSFET humidity sensor*

LIAO Rong， LI Bei， ZHANG Zhen-jie， LI Yu-wei

(School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510641,China)

Polyimide(PI)film is produced on the grid electrode of metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET),when humidity changes,it will cause the change of PI moisture content,that is,the capacitance change,accordingly humidity sensors can be manufactured,the test results show the humidity sensor has obvious characteristics of humidity sensitive.

polyimide (PI); humidity sensor; semiconductor planar process; extended grid electrode structure; relative humidity

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0032—02

2016—09—19

2015中央高校基本科研业务费本科生自主选题项目(10561201511)；华南理工大学第一批“探索性实验”教学项目(X2dX—Y1140610)

G 642

A

1000—9787(2017)09—0032—02

廖 荣(1970-)，男，通讯作者，博士，工程师，长期从事微电子器件教学与研究工作,E—mail:liaorong@scut.edu.cn。