CMOS工藝兼容電容式相對(duì)濕度傳感器的設(shè)計(jì).pdf

1、該文給出了一種新型的濕度傳感器,它利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝技術(shù)制造.具有CMOS工藝的一些共同的優(yōu)點(diǎn),價(jià)格低、精度高、可靠性好.濕度傳感器廣泛地應(yīng)用于測(cè)量和控制領(lǐng)域,包括工藝控制、氣象、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療設(shè)備.濕度傳感器大致可以分為下列幾種類型:電容式、電阻式、懸臂梁式、晶振式、以及熱電偶式.新型的電容式的濕度傳感器將與多晶硅加熱結(jié)構(gòu)集成在一起,它的響應(yīng)時(shí)間非常迅速.該結(jié)構(gòu)首次提出了在鋁電極和敏感材料(聚酰亞胺)中間加了一層鈍化層以提高傳感器的可

2、靠性.鈍化層的引入使得該結(jié)構(gòu)還可以自由選擇電容電極的材料.新型微濕度傳感器采用3微米CMOS工藝技術(shù)制造.該文研究的新型結(jié)構(gòu)由梳狀鋁電極、梳狀多晶硅加熱條以及用作感濕材料的聚酰亞胺組成.傳感器結(jié)構(gòu)由兩對(duì)交叉的梳狀鋁電極,每個(gè)為21根鋁條,以及60根多晶硅加熱條組成.每根電極長(zhǎng)400微米,寬3微米,整個(gè)尺度為508微米×450微米.接口電路采用新型開(kāi)關(guān)電容結(jié)構(gòu),用來(lái)檢測(cè)微小的敏感電容,我們對(duì)接口電路進(jìn)行了Spice仿真.并利用有限元分析工

3、具ANSYS和Coventor對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到敏感電容與相對(duì)濕度變化曲線.對(duì)于濕度傳感器一些特性參數(shù).靈敏度、滯回特性、溫度系數(shù)、可靠性、響應(yīng)速度和一個(gè)特殊的參數(shù):加熱時(shí)的脫附吸附速度,進(jìn)行了系統(tǒng)全面的測(cè)量.濕度傳感器的靈敏度對(duì)于不同的聚酰亞胺厚度也不同,2.5微米厚的聚酰亞胺靈敏度在線性范圍內(nèi)靈敏度為6fF/﹪RH,敏感膜厚度為1微米時(shí)傳感器靈敏度在線性范圍內(nèi)靈敏度為5fF/﹪RH.通過(guò)對(duì)靈敏度的測(cè)試發(fā)現(xiàn),在相對(duì)濕度范圍20

4、﹪~70﹪RH時(shí),敏感電容的線性度非常好.在相對(duì)濕度為80﹪RH時(shí),滯回差最大,為3﹪RH.濕度傳感器的溫度系數(shù)為0.14﹪RH/℃.為了獲得很好的可靠性,在敏感膜與電極中間添加了一層鈍化膜,測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),這種新型結(jié)構(gòu)在高溫情況下放置一周后,濕度傳感器的敏感電容值沒(méi)有明顯的漂移.該文還設(shè)計(jì)了一種全新的測(cè)試結(jié)構(gòu)用來(lái)精確測(cè)試響應(yīng)時(shí)間,測(cè)量得到的濕度傳感器響應(yīng)速度,從12﹪RH上升到75﹪RH所需時(shí)間為10秒鐘.為了提高高濕情況下的響應(yīng)速度,