集成加热功能高分子电容式湿度传感器研究

郑丽

中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨，150001

0 引言

湿度是气象观测中需要获取的最重要的参数之一，也是最难准确测量的参数之一。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等领域，经常需要对环境温度和湿度进行测量[1-2]。随着科学技术的发展，系统的微型化和集成化是未来传感器发展的方向。目前，与CMOS 工艺兼容的MEMS 湿度传感器具有体积小、价格低、产品一致性好的特点，有较好的应用前景。

气象要素中的湿度参数的准确测量技术一直是气象观测的瓶颈，如高空气象探空中的一项关键任务就是从地面至40 km 甚至更高空的环境湿度检测。探空仪从云层钻出的一瞬间，湿度敏感元件表面会结霜，导致测量失效；又如地面测试中，如遇到雨天、大雾天气，或是在高寒或高温地区，会出现湿度骤变而使湿度敏感芯片表面凝结水分[3]，导致无法实现湿度参数的准确测量。针对这种情况，传统的高分子电容式湿度传感器很难准确测量。随着小型化甚至微型化的器件研制和开发，近年来，国内外科研人员开展了关于具有加热功能的湿度传感器研究，可以有效解决结露、结霜等问题[4-5]。

本文采用电容式工作原理[6-7]，将MEMS 技术与湿度传感器制作技术相结合，研制出一种集成加热功能的湿度传感器，使用具有热稳定性好、介电性能好、化学稳定性好的聚酰亚胺作为敏感材料。所制作的湿度传感器具有灵敏度高、湿滞小、响应速度快等特点，在加热除湿的过程中，可以不间断地对湿度进行监测。

1 集成加热功能高分子电容式湿度传感器设计

1.1 工作机理

电容型湿度传感器的感湿机理是基于电极间的湿敏材料吸附环境中气态水分子时引起介电常数随之变化，其传感器的电容量与环境中水蒸气相对压力（P/P0）关系由下式表示：

式中，ε0为真空介电常数；εu为相对湿度为u%RH 下高分子湿敏材料的介电常数；S为电容式传感器有效电极面积；d为高分子感湿膜厚度。其中：

式中，εr为湿度为0%RH 时的高分子材料的介电常数；εH2O为高分子材料吸附水的介电常数；a、b为结构常数；Wu为湿度为u%RH 时高分子材料单位质量吸附水分子的质量。

1.2 微结构衬底设计

集成加热功能湿度传感器采用半导体工艺、MEMS 技术和薄膜技术相结合，利用单晶硅微加工技术制造加热与湿度测试的集成湿度传感器，采用先进的微加工的双面光刻技术、干法刻蚀技术和湿法刻蚀技术，实现湿度衬底结构减薄；对单晶硅片进行体微机械加工，将硅片从背面减薄，用湿法腐蚀工艺腐蚀出硅杯，如图1 所示，用半导体工艺在减薄的硅薄膜上制作加热单元，用薄膜工艺在加热单元上制造湿敏电容单元，这样在实现测湿功能同时可以提高传感器加热效率，降低功耗。

1.3 微加热器仿真

微加热器设计采用的是接触式加热方式，即湿度敏感单元直接制作在加热单元上边。该加热方式使温场更加均匀，易于除湿。

使用ANSYS 仿真软件对加热功能进行仿真，仿真结果如图2 所示。

该仿真是加热温度从21 ℃到55 ℃时加热电阻的仿真效果，由图中可见，加热温场均匀，并完全被覆盖在湿度敏感芯片感湿面积下方，可以快速、均匀地将湿度芯片表面的水分去除。

1.4 湿度传感器结构设计

高分子湿度传感器感湿薄膜固化后，后续工艺要求更加严格。首先是感湿薄膜不易进行图形化处理，其次是感湿薄膜要避免后续工艺带来污染而使感湿性能下降。常规工艺只是采用下电极—感湿薄膜—上电极3 层结构[6]。

本文研究的湿度传感器采用的是平板电容的结构。该湿度传感器主要包含两个部分：湿度敏感单元、微加热器。其中，湿度敏感单元以贵金属材料作为湿敏电容的两个电极，高分子材料聚酰亚胺作为感湿电介质层，聚酰亚胺具有耐高温、绝缘性好、化学性质稳定、高温介电常数稳定性好、温度系数小、与半导体工艺兼容的特点；微加热器采用的是掺杂的方式制成，制作在湿度敏感单元的下方。该湿度传感器照片如图3 所示。

此结构设计具有以下几个优点：

（1）湿敏电容制作工艺与半导体工艺相兼容；

（2）利用聚酰亚胺作为感湿膜，工艺简单，降低成本；

（3）制作的湿度传感器的加热电阻在湿度敏感单元下面，易于集成化，工艺兼容性好；

（4）湿敏电容采用平板电容结构，可以通过增大电极与感湿材料的接触面积或者降低敏感膜的厚度提高灵敏度、降低响应时间。

2 制作工艺

具有加热功能的湿度传感器制作分为两个阶段。

第一个阶段是在硅片上制作微加热器，采用掺杂的方式，制作在湿敏电容的下方。制作过程是在硅片表面生长一层致密、较厚的氧化层，通过光刻、刻蚀技术制作电阻条图形，然后进行离子注入和退火；

第二个阶段是在微加热器上制作湿度敏感单元，本文研究的湿度传感器采用的是平板电容的结构，该湿度传感器主要包含电容的两个电极、感湿膜。其中，下电极采用蒸发、光刻、腐蚀的方法制作；感湿膜以高分子材料聚酰亚胺（PI）为主，聚酰亚胺具有耐高温、绝缘性好、化学性质稳定[8]、高温介电常数稳定性好、温度系数小、与半导体工艺兼容的特点，采用旋涂的方法在下电极上涂覆聚酰亚胺薄膜，最后采用蒸发的形式制作具有多孔透气性的上电极，上电极微观结构见电镜扫描分析照片，如图4 所示，从图中明显可见微孔形状，保证水蒸气分子的吸入和吸出。

在湿度传感器制作中，聚酰亚胺薄膜作为湿度传感器的感湿膜，其制作过程最关键，直接决定湿度传感器的感湿能力。聚酰亚胺薄膜的成膜工艺是湿度传感器制作的关键步骤，本文通过高温亚胺化实现敏感膜制作，亚胺化过程是指通过一次高温热处理之后，使分子间进一步成环增大，从而达到高分子聚酰亚胺所具有的吸湿脱湿性能，这个过程发生在固相中，需要较高的亚胺化温度。为了避免敏感膜在亚胺化过程中产生气泡、针孔，采用阶梯升温的加热形式，避免了气泡和针孔的产生，提高了灵敏度，降低了湿滞和响应时间。该阶梯固化曲线如图5 所示。

3 试验验证

3.1 微加热器温度特性测试

将湿度传感器置于温度箱中，由于加热电阻同时也是温敏电阻，通过改变温度箱不同的温度条件，测出当前温度下的电阻值，计算出温度系数，不同温度下的阻值如图6 所示。

通过测试计算得知，加热电阻温度系数为1 600×10-6℃。该加热器作为温度传感器使用，根据阻值的变化来得出环境温度变化。

3.2 微加热器加热特性测试

在室温、环境湿度为30%RH 的条件下，在具有加热功能湿度传感器表面滴上液态水，液态水的用量使用微量加样器控制，以覆盖湿度传感器表面为准，保持时间为300 s，然后对加热电阻施加5 V 电压，加热时间为2 s，湿度传感器表面的液态水瞬间蒸发，连续重复上述过程3 次，加热除湿效果如图7 所示。

从图7 中可以看出，吸湿后的传感器电容值为278 pF，第一次启动加热开始时间为300 s，结束时间为302 s 时，电容值降到260.35 pF，表明启动加热可以快速除湿。从图7 中可以看出，多次重复上述试验后，湿度传感器电容值均可以由278 pF 降低到260.35 pF，表明微加热器加热有效，可以实现快速除湿，且除湿能力稳定性好、重复性好。

3.3 湿度特性测试

将具有加热功能的湿度传感器放置湿度发生器中，同时使用露点仪监测湿度发生器的温度和湿度，使用智能电桥进行电容值测试，按照从低湿10% RH 升到高湿90% RH、再由高湿90% RH 降到低湿10% RH 的升湿、降湿过程对湿度传感器进行湿度特性测试；按照湿度传感器响应时间测试方法进行了响应时间测试。

性能测试结果如表1 所示，湿度特性曲线如图8所示。

表1 湿度传感器湿度性能测试

从表1 中可以看出，湿度传感器具有灵敏度高、湿滞小、线性好、响应速度快等优点，且性能指标一致性好。

从图8 中可以看出，湿度传感器的线性非常好，升湿和降湿过程中，曲线均接近于直线；同时可以看出，升湿和降湿曲线基本重合，表明湿滞小。

4 结束语

通过对集成加热功能的湿度传感器的研究，将加热功能与湿敏电容集成化，不仅实现了解决湿度传感器在高湿等恶劣环境下出现暂时失效这一难题，而且可以提高湿度传感器在恶劣环境下的可靠性及耐用性。总结如下：

（1）湿度传感器芯片集成的加热单元既可以起到加热除湿的效果，同时也是热敏电阻，可以作为温度敏感元件进行环境温度测量；

（2）湿度传感器具有灵敏度高、湿滞小、一致性好等优点；

（3）加热器加热试验验证结果表明，其具有快速除湿的效果，加热性能稳定，能够满足在高湿、结露等环境条件下对湿度参数的准确测量；

（4）集成加热功能的湿度传感器工艺的研究为其他传感器的研究提供了可靠的工艺参数和技术支撑。