cmos mems电容式湿度传感器的设计、制备与封装研究

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1、DESIGN，FABRICATIONANDPACKAGⅢGOFCMOSMEMSCAPACITIVEHUMIDITYSENSORADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYZhaoChenglong一SupervisedbyProf．HuangQing—anSchoolofElectronoicScienceandEngineeringSoutheastUniversityJune2012东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我

2、个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：型鱼虹日期：二垒兰生业东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以

3、公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：蝉导师2口，2．b．膨摘要湿度传感器广泛应用于气象检测、农业生产、工业控制、医疗设备等领域。近年来，湿度传感器的发展越来越趋向于微型化。现有的微型湿度传感器类型主要包括电容式、电阻式、压阻式及MEMS等。其中，电容式湿度传感器因具有功耗小、成本低等优点，普遍应用于商用领域。提高灵敏度、改善回滞特性和响应特性一直是湿度传感器发展的目标，而合适的封装则是湿度传感器满足实际应用的关键。因此，本文基于本实验室前期基础，设计制备了一种

4、CMOSMEMS电容式湿度传感器，提出了改善灵敏度、回滞特性、响应特性的优化方案以及满足产业化应用的封装方案，并探索了一种基于纳米感湿材料的高灵敏度梳齿状电容式湿度传感器的敏感特性，主要工作包括：(1)提出了一种基于CMOSMEMS技术的梳齿状电容式湿度传感器结构。选用了与CMOS工艺兼容且具有良好感湿特性的聚酰亚胺作为湿度敏感介质。为了改善湿度传感器的回滞特性以及响应特性，设计了与铝电极等宽等间距的多晶硅加热电阻条。为了提高传感器的灵敏度，提出了增大梳齿状电极之间凹槽深度的方案。铝电极与聚酰亚胺之间设有钝化层，保证了湿度传感器工作时的稳定性。利用Coventor软

5、件对结构进行了模拟，验证了设计的合理性。(2)研究了梳齿状电极之间聚酰亚胺填充效果的影响因素，对不同尺寸的结构进行了填充效果测试。实验结果表明，梳齿状电极之间凹槽的宽度与聚酰亚胺的厚度共同决定了聚酰亚胺的填充效果。之后，测试分析了不同填充效果的器件，测试结果表明改善填充效果有助于提高传感器的灵敏度。(3)开发了一种针对CMOSMEMS湿度传感器的封装结构。采用聚四氟乙烯(PTFE)微孔滤膜，实现了封装管壳内外湿度的一致，有效地保护了传感器湿度敏感元件，使其免受液态水、灰尘颗粒等外界环境因素的影响。设计了双管壳方案，方便更换和清理维护微孔滤膜，极大地延长了湿度传感器的

6、使用寿命。测试结果表明，该湿度传感器线性度良好，封装对传感器灵敏度的影响很小。利用多晶硅电阻加热后，传感器的回滞特性得到了明显改善，最大回滞小于I％RH，恢复时间也有较大改善。(4)基于上述CMOS梳齿状电容结构，探索了利用氧化石墨烯薄膜作为湿度敏感材料时的传感器特性。对氧化石墨烯薄膜进行了FT-IR(傅里叶变换红外光谱)和TGA(热重分析)测试。在CMOS梳齿状电容的基础上，完成了氧化石墨烯薄膜的MEMS后处理工艺。实验结果表明，基于相同的CMOS梳齿状电容结构时，利用氧化石墨烯薄膜作为敏感材料的湿度传感器与利用聚酰亚胺作为敏感材料的湿度传感器相比，性能提升了很多

7、，灵敏度提高了二十几倍，响应时间也大幅缩减。本文设计制备了一种基于聚酰亚胺的CMOSMEMS梳齿状电容式湿度传感器，提出了改善其敏感特性的优化方案，开发了满足实际应用的封装方案。该传感器可以应用于自动气象站、温室大棚等场所。此外，本文还探索了基于氧化石墨烯薄膜的梳齿状电容式湿度传感器的敏感特性，对研究基于这种纳米材料的湿度传感器提供了有益经验。关键词：CMOS，MEMS，电容式传感器，湿度传感器，聚酰亚胺，封装，氧化石墨烯AbstractHumiditysensorsarewidelyappliedinmanyfieldssuchasmeteorologymon