mems电容式湿度传感器后处理工艺的研究

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1、摘要湿度传感器广泛地应用于测量和控制领域，如军事、气象、农业、工业、医疗、建筑以及家用电器等方面，与工农业生产和人民生活息息相关。目前，湿度传感器正朝着低成本、低功耗、微型化、智能化的方向发展，而单片集成是实现以上趋势的有效途径。光学型、重力型、电阻型、电容型湿度传感器是较为常用四种微型湿度传感器，其中光学型和重力型由于制作工艺复杂而且对检测设备要求较高，在单片集成上受到限制。电容型和电阻型结构简单，制造方便，比较适合单片集成，但电阻型湿度传感器在精度、温漂特性和稳定性等方面表现较差，所以电容型湿度传感器在单片集成

2、上有很大的发展潜力和研究空间。本文利用标准CMOS工艺结合MEMS后处理制得一种梳齿状结构的电容型湿度传感器。铝电极呈叉指状平铺于衬底之上，叉指电极之间的空隙中填充感湿介质，当外界环境的湿度发生变化时，填充在铝电极之间的感湿介质因吸收了环境中的水分子介电常数发生了变化，从而引起了湿度传感器电容值发生变化，进而测得周围环境的湿度。这种湿度传感器结构简单，易于和后处理电路实现单片集成。’湿度传感器中感湿介质的性能直接关系到整个传感器性能，所以感湿介质的材料选择和处理工艺就成为了关键。通过研究比较，本文采用感湿性能优异的

3、聚酰亚胺(PI)作为感湿介质。本文旨在对这种聚酰亚胺电容型湿度传感器的MEMS后处理工艺进行了分析和研究。本文通过研究分析了：1．梳齿状敏感电容间距对湿度传感器性能的影响，提出了当电极间距是所旋涂的聚酰亚胺薄膜厚度的二倍时，填充效果最好，可以使湿度传感器的性能得到改善。2．聚酰亚胺感湿薄膜厚度对湿度传感器性能的影响，提出了聚酰亚胺感湿薄膜厚度越厚灵敏度越高，滞回特性越差，响应时间越长。3．聚酰亚胺固化条件对湿度传感器性能的影响。聚酰亚胺固化过程中采用阶梯化升温加热的方法，在最高固化温度分别选择200"C、250"C

4、和290"C下制得湿度传感器，通过测试对比得出最高固化温度为250℃时制得感湿特性优异的感湿薄膜。4．提出一组较为优异的后处理工艺参数：最高旋涂转速为2000转／分钟，薄膜厚度约为2．41xm，采用阶梯升温加热法，250℃作为最高固化温度。在这些工艺参数下制得的电容型湿度传感器在25％RH到75％RH范围内，其灵敏度可以达到1．8fF／％RH。另外，为了测试所制作的湿度传感器的电容值，本文给出了一种基于C8051F410和AD7745的微小电容测试电路的设计。该电路量程范围为-4．096pF．+4．096pF，分辨

5、率在fF级。关键词s聚酰亚胺；湿度传感器；电容型传感器：后处理工艺AbstractHumiditysensorsarewidelyusedinmanymeasurementandcontrolapplication，includingmilitaryaffairs，meteorology,agriculture，industry,medicalequipments，architectureandhomeappliances．Humiditysensorsaredevelopedwiththegoaloflowcos

6、t，lowpowerconsumption，miniaturizationandintelligence，whichcarlbeeffectivelyrealizedbymonolithicintegration．Themicrohumiditysensorswidelyusedincludeoptical—t)，pe，gravity·type，resistive·typeandcapacitive-type．Themonolithicintegrationoftheoptical-typeandgravity—t

7、ypehumiditysensorsWasdifficultfortheircomplexfabricationprocessandspecialrequirementofthetestingequipment．Thecapacitive-typeandresistive—typehumiditysensorsaremoresuitableformonolithicintegrationfortheirsimplestructureandfabricationprocess．Howevertheresistive—

8、typehumiditysensorsshowpoorperformanceontheaccuracy,temperaturedriftcharacteristicsandstability．Hence，thecapacitive·typehumiditysensorshavegreatpotentialandresearchspaceontheirmono